在探索微觀世界的征程中，傳統(tǒng)顯微技術(shù)一直是科研人員的重要工具，但隨著研究的深入，其局限性也日益凸顯。傳統(tǒng)的二維傳感器，如常見(jiàn)的CMOS、CCD等，雖為眾多領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要支持，從工業(yè)檢測(cè)到醫(yī)療診斷，從安防監(jiān)控到天文觀測(cè)，它們無(wú)處不在，然而在面對(duì)三維成像時(shí)，卻顯得力不從心。

在生命科學(xué)研究中，細(xì)胞內(nèi)的各種生物分子在三維空間中相互作用，形成了復(fù)雜而精細(xì)的結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)只能捕捉到細(xì)胞的平面信息，無(wú)法完整呈現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)生物分子的三維分布和動(dòng)態(tài)變化。就好比我們看一張平面的城市地圖，雖然能知道各個(gè)建筑的位置，但無(wú)法了解它們的高度、樓層結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部的空間布局。在觀察神經(jīng)元時(shí)，二維成像難以展示神經(jīng)元復(fù)雜的樹(shù)突和軸突在三維空間中的延伸和連接，這對(duì)于研究神經(jīng)信號(hào)的傳遞和處理機(jī)制無(wú)疑是巨大的阻礙。

傳統(tǒng)顯微成像還面臨著成像光學(xué)像差的問(wèn)題。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光學(xué)像差會(huì)使得經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)的點(diǎn)光源在二維數(shù)字傳感器中彌散成光斑（點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF），導(dǎo)致圖像模糊、分辨率下降。光學(xué)工程專家花費(fèi)百余年時(shí)間致力于完美成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)精密的鏡片設(shè)計(jì)、組合以進(jìn)行像差校正。然而，光學(xué)設(shè)計(jì)和制造的難度隨著空間帶寬積(光學(xué)系統(tǒng)的自由度總數(shù))的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。在一個(gè)普通的千萬(wàn)像素傳感器中，成像系統(tǒng)的有效像素?cái)?shù)通常被光學(xué)像差限制在百萬(wàn)像素級(jí)別，這極大地限制了我們對(duì)微觀世界細(xì)節(jié)的觀察。在觀察細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器時(shí)，由于光學(xué)像差，原本清晰的細(xì)胞器輪廓變得模糊不清，難以分辨其精細(xì)結(jié)構(gòu)。在對(duì)納米材料進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，光學(xué)像差導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量其尺寸和形態(tài)，影響了對(duì)材料性能的研究。

此外，傳統(tǒng)顯微技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高分辨動(dòng)態(tài)成像方面也存在困難。許多生物過(guò)程，如細(xì)胞分裂、胚胎發(fā)育等，都是在動(dòng)態(tài)變化中進(jìn)行的，需要顯微鏡能夠?qū)崟r(shí)捕捉到這些過(guò)程中的高分辨率圖像。傳統(tǒng)顯微技術(shù)難以在保證高分辨率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)成像，導(dǎo)致我們無(wú)法完整地記錄和分析這些生物過(guò)程。

面對(duì)傳統(tǒng)顯微技術(shù)的種種困境，高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其核心在于掃描光場(chǎng)成像原理和數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)，這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，為我們帶來(lái)了全新的微觀世界觀察視角。

▏****掃描光場(chǎng)成像原理

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，掃描光場(chǎng)成像利用微透鏡陣列或多相機(jī)陣列等方式，從不同角度同時(shí)記錄物體發(fā)出或反射的光線信息，形成四維光場(chǎng)數(shù)據(jù)，這其中不僅包含了光場(chǎng)的強(qiáng)度信息，還涵蓋了光場(chǎng)的角度信息。在掃描光場(chǎng)成像中，不同角度的光線攜帶了物體不同部分的信息，通過(guò)對(duì)這些信息的采集和處理，我們能夠構(gòu)建出物體的三維結(jié)構(gòu)和表面紋理等信息。

為了更清晰地理解，我們可以以斑馬魚(yú)胚胎的成像為例。斑馬魚(yú)胚胎是研究胚胎發(fā)育的重要模型，其內(nèi)部細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于了解生命的起源和發(fā)展至關(guān)重要。利用掃描光場(chǎng)成像技術(shù)，科研人員可以從多個(gè)角度對(duì)斑馬魚(yú)胚胎進(jìn)行成像，獲取其在不同發(fā)育階段的三維圖像。通過(guò)這些圖像，能夠觀察到胚胎細(xì)胞的分裂、遷移和分化過(guò)程，就像觀看一部關(guān)于生命起源的高清紀(jì)錄片，細(xì)胞的每一個(gè)細(xì)微變化都能被清晰地捕捉到。

在傳統(tǒng)的光場(chǎng)成像中，由于像素大小與微透鏡大小的限制，空間分辨率相對(duì)較低。而掃描光場(chǎng)成像通過(guò)移動(dòng)微透鏡的方式，提高了空間采樣率，進(jìn)而提高了空間分辨率。就像用一個(gè)像素更高的相機(jī)去拍攝物體，能夠看到更多的細(xì)節(jié)。這種技術(shù)突破，使得我們?cè)谟^察微觀世界時(shí)，能夠分辨出更小的結(jié)構(gòu)和更細(xì)微的變化。

▏****數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)

數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)則是高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)的另一大核心，其主要作用是校正成像像差，提升成像質(zhì)量。該架構(gòu)主要通過(guò)對(duì)光學(xué)像差的精確測(cè)量和補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)成像質(zhì)量的提升。在實(shí)際成像過(guò)程中，光線會(huì)受到多種因素的影響，如樣本的非均質(zhì)性、光學(xué)系統(tǒng)的不完善以及環(huán)境的干擾等，這些因素都會(huì)導(dǎo)致光線的傳播路徑發(fā)生改變，從而產(chǎn)生像差。數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)利用先進(jìn)的算法和傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光線的傳播情況，精確計(jì)算出像差的大小和分布。然后，通過(guò)對(duì)光線的數(shù)字調(diào)制，對(duì)像差進(jìn)行補(bǔ)償，使得光線能夠準(zhǔn)確地聚焦在探測(cè)器上，從而獲得清晰、高分辨率的圖像。

數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)還具有強(qiáng)大的靈活性和適應(yīng)性。它可以根據(jù)不同的成像需求和樣本特點(diǎn)，自動(dòng)調(diào)整校正參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜成像環(huán)境的優(yōu)化。在對(duì)不同生物樣本進(jìn)行成像時(shí)，該架構(gòu)能夠根據(jù)樣本的光學(xué)特性和成像要求，自動(dòng)選擇最合適的校正算法和參數(shù)，確保獲得最佳的成像效果。

▏****性能優(yōu)勢(shì)全解析

一、三維視場(chǎng)的飛躍

得益于掃描光場(chǎng)成像原理和數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)的完美結(jié)合，高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)在三維視場(chǎng)方面實(shí)現(xiàn)了重大突破。與最先進(jìn)的商業(yè)化熒光顯微鏡相比，其三維視場(chǎng)提升了90倍。這一提升意味著什么呢？

在生物學(xué)研究中，以往的顯微鏡可能只能觀察到一小部分組織或細(xì)胞群，對(duì)于更大范圍的生物結(jié)構(gòu)，如完整的小型生物體、較大的組織切片等，很難進(jìn)行全面的觀察和分析。而新技術(shù)的出現(xiàn)，使得科研人員能夠一次性獲取更大范圍的三維圖像信息，就像從用一個(gè)小孔看世界，變成了站在一個(gè)開(kāi)闊的廣場(chǎng)上俯瞰周圍的一切，視野變得更加廣闊。在研究果蠅胚胎發(fā)育時(shí)，傳統(tǒng)顯微鏡需要多次移動(dòng)樣本、拼接圖像，才能勉強(qiáng)獲得胚胎的大致形態(tài)和部分發(fā)育過(guò)程信息，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且圖像拼接過(guò)程中還可能出現(xiàn)誤差。而使用高分辨率三維介觀尺度熒光顯微鏡，科研人員可以直接觀察到整個(gè)果蠅胚胎在不同發(fā)育階段的三維結(jié)構(gòu)變化，從細(xì)胞分裂的起始，到各個(gè)器官的逐漸形成，每一個(gè)細(xì)節(jié)都清晰可見(jiàn)，這為深入研究胚胎發(fā)育機(jī)制提供了更全面的數(shù)據(jù)支持。

二、成像通量的飆升

該技術(shù)在成像通量方面同樣表現(xiàn)出色，相比傳統(tǒng)顯微鏡提升了322倍。成像通量可以理解為單位時(shí)間內(nèi)獲取的圖像信息量，成像通量的大幅提升，極大地提高了成像效率。

在藥物研發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)大量的細(xì)胞樣本進(jìn)行篩選和分析，以評(píng)估藥物的效果和安全性。傳統(tǒng)顯微鏡成像速度較慢，完成一次大規(guī)模的細(xì)胞樣本成像需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，這無(wú)疑會(huì)拖慢藥物研發(fā)的進(jìn)度。而高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)憑借其高成像通量的優(yōu)勢(shì)，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量細(xì)胞樣本進(jìn)行快速成像和分析，科研人員能夠迅速獲取細(xì)胞在藥物作用下的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能變化等信息，大大提高了藥物篩選的效率，加速了新藥研發(fā)的進(jìn)程。它還可以用于高通量的生物芯片檢測(cè)，能夠快速準(zhǔn)確地讀取生物芯片上的大量信息，為基因表達(dá)分析、蛋白質(zhì)檢測(cè)等研究提供了高效的手段。

三、長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)的實(shí)現(xiàn)

在細(xì)胞生物學(xué)中，細(xì)胞的增殖、分化、遷移等過(guò)程往往是在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，需要顯微鏡能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地對(duì)細(xì)胞進(jìn)行三維成像。傳統(tǒng)顯微鏡由于存在光毒性、光漂白等問(wèn)題，很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)。高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)通過(guò)優(yōu)化成像光路和信號(hào)檢測(cè)方法，降低了光對(duì)樣本的損傷，減少了光漂白現(xiàn)象的發(fā)生，使得科研人員可以對(duì)細(xì)胞進(jìn)行數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的三維長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)。在研究腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移過(guò)程時(shí)，科研人員可以利用該技術(shù)實(shí)時(shí)觀察腫瘤細(xì)胞從原發(fā)部位脫離、遷移到周圍組織，再到遠(yuǎn)處器官定植的全過(guò)程，深入了解腫瘤轉(zhuǎn)移的機(jī)制，為開(kāi)發(fā)有效的腫瘤治療方法提供重要的理論依據(jù)。在神經(jīng)科學(xué)研究中，對(duì)神經(jīng)元的發(fā)育、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成和可塑性等過(guò)程的長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)，也有助于我們更好地理解大腦的工作原理和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制。

▏****應(yīng)用領(lǐng)域

一、生物醫(yī)學(xué)研究

在疾病病理學(xué)研究中，高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。癌癥是威脅人類健康的重大疾病之一，其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，涉及多個(gè)基因和信號(hào)通路的異常。利用高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)，科研人員可以清晰地觀察腫瘤組織中癌細(xì)胞的三維形態(tài)、分布以及與周圍組織的相互作用。通過(guò)對(duì)乳腺癌組織樣本的成像分析，能夠精確地看到癌細(xì)胞的增殖、浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移過(guò)程，以及腫瘤微環(huán)境中血管生成和免疫細(xì)胞浸潤(rùn)的情況。這些詳細(xì)的信息有助于揭示癌癥的發(fā)病機(jī)制，為癌癥的早期診斷和精準(zhǔn)治療提供關(guān)鍵依據(jù)。

在神經(jīng)退行性疾病研究方面，如阿爾茨海默病，該技術(shù)同樣具有重要價(jià)值。借助高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)，科研人員可以在三維空間中觀察這些病理標(biāo)志物在大腦中的分布和聚集過(guò)程，以及它們對(duì)神經(jīng)元形態(tài)和功能的影響。這有助于深入了解阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制，為開(kāi)發(fā)有效的治療藥物和干預(yù)措施提供重要線索。

在藥物研發(fā)過(guò)程中，該技術(shù)也為科研人員提供了強(qiáng)大的支持。在篩選抗癌藥物時(shí)，科研人員可以將癌細(xì)胞與藥物共同培養(yǎng)，然后利用高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)實(shí)時(shí)觀察藥物對(duì)癌細(xì)胞的作用效果。通過(guò)對(duì)癌細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能變化的三維成像分析，能夠快速評(píng)估藥物的療效和安全性，篩選出具有潛在治療價(jià)值的藥物分子。該技術(shù)還可以用于研究藥物的作用機(jī)制，了解藥物如何與癌細(xì)胞內(nèi)的靶點(diǎn)相互作用，以及藥物在細(xì)胞內(nèi)的代謝過(guò)程，從而為優(yōu)化藥物設(shè)計(jì)和提高藥物療效提供依據(jù)。

二、細(xì)胞生物學(xué)探索

細(xì)胞是生命的基本單位，對(duì)細(xì)胞生物學(xué)的深入研究是理解生命現(xiàn)象和生命過(guò)程的基礎(chǔ)。高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)為細(xì)胞生物學(xué)研究帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇，讓我們能夠更清晰地觀察細(xì)胞內(nèi)部的動(dòng)態(tài)生物過(guò)程，深入了解細(xì)胞的奧秘。

在細(xì)胞分裂過(guò)程中，染色體的精確分離是確保細(xì)胞遺傳信息穩(wěn)定傳遞的關(guān)鍵。利用該技術(shù)，科研人員可以實(shí)時(shí)觀察活體細(xì)胞內(nèi)染色體在三維空間中的動(dòng)態(tài)變化，從染色體的凝縮、排列到分離的全過(guò)程都能清晰呈現(xiàn)。通過(guò)對(duì)這些過(guò)程的詳細(xì)觀察和分析，有助于揭示細(xì)胞分裂的調(diào)控機(jī)制，以及染色體異常分離與疾病發(fā)生的關(guān)系。在胚胎發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞的分化和遷移是形成各種組織和器官的基礎(chǔ)。借助高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)，能夠?qū)ε咛ゼ?xì)胞進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的三維成像觀察，追蹤細(xì)胞在胚胎發(fā)育過(guò)程中的命運(yùn)變化，了解細(xì)胞如何通過(guò)分化和遷移形成復(fù)雜的組織和器官結(jié)構(gòu)。這對(duì)于研究胚胎發(fā)育的分子機(jī)制、揭示先天性疾病的發(fā)病原因具有重要意義。

細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)通路是細(xì)胞對(duì)外界刺激做出響應(yīng)的重要機(jī)制，它涉及多種信號(hào)分子在細(xì)胞內(nèi)的相互作用和傳遞。該技術(shù)可以幫助科研人員觀察這些信號(hào)分子在三維空間中的分布和動(dòng)態(tài)變化，研究它們?nèi)绾卧诩?xì)胞內(nèi)傳遞信號(hào)，以及信號(hào)傳導(dǎo)通路的異常與疾病發(fā)生的關(guān)聯(lián)。在研究細(xì)胞對(duì)生長(zhǎng)因子的響應(yīng)時(shí)，能夠通過(guò)高分辨率三維成像觀察到生長(zhǎng)因子受體在細(xì)胞膜上的分布和激活情況，以及下游信號(hào)分子在細(xì)胞內(nèi)的傳遞路徑和激活狀態(tài)，從而深入了解細(xì)胞增殖和分化的調(diào)控機(jī)制。

高分辨率三維介觀尺度熒光顯微技術(shù)的誕生并非一蹴而就，而是科研人員長(zhǎng)期探索和不懈努力的結(jié)果。它源于科研人員對(duì)傳統(tǒng)顯微技術(shù)局限性的深刻認(rèn)識(shí)和對(duì)微觀世界更深入探索的渴望。

作者 | 幾維鳥(niǎo) 畢業(yè)于新西蘭林肯大學(xué)。對(duì)大眾科普知識(shí)擁有濃厚興趣，曾在多個(gè)科普期刊上發(fā)表過(guò)科普文章。關(guān)注事實(shí)，積極探索前沿科技。

初審 | 陳嘉琦、李書(shū)豪

復(fù)審 | 魏星華

終審 | 韓永林