新型顯微技術突破快速3D成像極限

科技日報記者 張夢然

美國加州大學聖克魯斯分校團隊開發出一種新型顯微技術，突破了快速3D成像的極限。他們利用25台相機組成高速顯微鏡，能一次性捕捉整個小型生物體內部的即時細胞動態過程。該技術為發育生物學、神經科學和運動研究等領域提供了前所未有的觀察手段，將推動生物醫學研究向更高維度和智能化方向發展。相關成果發表於最新一期《光學》期刊。

傳統顯微鏡在獲取3D圖像時，通常依賴機械聚焦或逐層掃描不同深度，這一過程速度較慢，無法捕捉快速發生的生物動態，還容易造成圖像畸變或信息丟失。為解決這一問題，團隊開發了名為M25的新型顯微鏡系統。該系統基於多焦點顯微鏡技術進行擴展，利用25個同步工作的相機，同時記錄來自不同焦平面的圖像，從而實現無需掃描的高速3D成像。

研究表明，新顯微鏡可在高達180×180×50微米的3D空間內，以每秒超過100個體積幀率採集25個焦平面的數據，達到即時成像水平。系統核心是一塊特製的衍射光學元件，它能將入射光分割並引導至25個相機，每個相機對應一個獨立且精確控制的焦平面。為了克服傳統色散校正組件體積大、難以擴展的問題，團隊設計了集成在各相機鏡頭前的定製閃耀光柵，有效校正了多焦點光柵引起的色散效應。

M25系統的關鍵創新在於用輕巧緊湊的定製光柵，替代了傳統笨重的稜鏡系統。這種設計使其特別適用於觀察胚胎髮育或者自由運動的小型模式生物。

驗證中，團隊對包括秀麗隱杆線蟲和黑腹果蠅在內的多種活體模式生物進行了即時3D成像。過去，科學家在觀察線蟲運動時往往只能看清部分身體結構，而M25則能全程追蹤整條線蟲在3D空間中的自然運動軌跡。這為解析生物神經系統提供了全新工具，進一步還可探究基因突變、疾病狀態或藥物干預對動物行為的影響。

M25系統可直接安裝在標準商用顯微鏡的側端口上，除特製的衍射光學元件外，無需額外專用硬件，顯著降低了推廣的技術門檻。

總編輯圈點

即時3D顯微鏡技術的突破，為生物醫學研究帶來重要變革。傳統顯微鏡受限於二維成像和靜態觀察，難以捕捉生命活動的動態全貌。相比之下，即時3D顯微鏡實現了活體樣本的高分辨率動態觀測。例如，在細胞生物學領域，該技術使科學家能夠直觀追蹤腫瘤細胞的遷移路徑，為癌症轉移和感染機制研究提供了全新視角。未來，該技術有望與人工智能深度結合，即時捕捉更加微觀的動態世界，推動生物醫學在基礎研究和臨牀應用領域不斷突破。