基于傅里葉光譜的全場布里淵生物力學(xué)顯微技術(shù)
生物力學(xué)成像在疾病診斷、組織工程和藥物開發(fā)中具有核心地位，但現(xiàn)有技術(shù)面臨兩難困境：接觸式測量（如原子力顯微鏡）破壞活體樣本，而光學(xué)非接觸方法（如共聚焦布里淵顯微鏡）受限于低速（分鐘級/幀）和高光損傷風(fēng)險(xiǎn)。傅里葉變換布里淵顯微技術(shù)（FTBM）通過光學(xué)干涉與頻譜對稱性創(chuàng)新應(yīng)用，首次實(shí)現(xiàn)全場高速力學(xué)成像，將生物學(xué)研究推進(jìn)至三維、無損、實(shí)時(shí)觀測新階段。本文解析該技術(shù)在光學(xué)設(shè)計(jì)、算法加速及生物應(yīng)用中的突破性價(jià)值。
光學(xué)對稱性壓縮采樣
利用布里淵譜的固有對稱性，僅需提取干涉條紋包絡(luò)信息，采樣點(diǎn)從百萬級降至30點(diǎn)。
在斑馬魚脊索成像中，F(xiàn)TBM以0.7 μW/像素的極低功率（共聚焦方法的1/7000）清晰分辨肌肉組織（頻移2.15 GHz）、空泡細(xì)胞（3.53 GHz）等微結(jié)構(gòu)，單幀采集時(shí)間縮短至10秒，為發(fā)育生物學(xué)提供無損觀測窗口。
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
本研究成果由 Carlo Bevilacqua 和 Robert Prevedel 共同完成，以《Full-field Brillouin microscopy based on an imaging Fourier-transform spectrometer》為題，于2025年2月在《Nature Photonics》發(fā)表。
技術(shù)原理
01傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸
常規(guī)布里淵光譜依賴虛擬成像相位陣列（VIPA）或法布里-珀羅干涉儀，需按奈奎斯特定理密集采樣（>10⁶點(diǎn)/光譜），導(dǎo)致單點(diǎn)測量耗時(shí)數(shù)百毫秒。例如780 nm波段實(shí)現(xiàn)0.5 GHz分辨率需掃描數(shù)小時(shí)，無法滿足生物樣本實(shí)時(shí)成像需求。
光學(xué)對稱性壓縮采樣
利用布里淵譜的固有對稱性，僅需提取干涉條紋包絡(luò)信息，采樣點(diǎn)從百萬級降至30點(diǎn)。
干涉圖包絡(luò)提取：通過邁克爾遜干涉儀獲取散射光程差信號，僅需在激光頻率ωₗ附近稀疏采樣（Nₗ≥3點(diǎn)），擬合余弦函數(shù)提取振幅衰減包絡(luò)
頻譜重建：對包絡(luò)函數(shù)作傅里葉變換，將頻譜中心歸零重建，避免全頻段掃描
噪聲抑制：銣蒸氣池濾除>80 dB彈性散射光，保留布里淵信號
03光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
照明端：光片照明（厚度10 μm）激發(fā)樣本聲學(xué)振動
探測端：雙路干涉光路中，電機(jī)控制空心角反射器產(chǎn)生納米級程差，sCMOS相機(jī)同步捕獲全場干涉圖
發(fā)展歷程與應(yīng)用場景
012009-2023：概念驗(yàn)證與技術(shù)迭代
2009年 布里淵生物力學(xué)關(guān)聯(lián)性確立（Prevedel, Nat Methods）
2023年 線掃描技術(shù)提速100倍（Bevilacqua, Nat Methods）
2025年 全場成像突破：FTBM將數(shù)據(jù)吞吐量提升至40,000 spectra/s，較共聚焦方法快三個數(shù)量級
在斑馬魚脊索成像中，F(xiàn)TBM以0.7 μW/像素的極低功率（共聚焦方法的1/7000）清晰分辨肌肉組織（頻移2.15 GHz）、空泡細(xì)胞（3.53 GHz）等微結(jié)構(gòu)，單幀采集時(shí)間縮短至10秒，為發(fā)育生物學(xué)提供無損觀測窗口。
重要發(fā)現(xiàn)
01仿體三維成像
油滴-瓊脂糖樣本測試中，系統(tǒng)以273×323×72 μm³視場同步獲取頻移/線寬分布，空間分辨率達(dá)0.58 μm（橫向），頻移精度±70 MHz：
02光學(xué)噪聲抑制模型
建立光子探測方程：2N detect=N ASE+N elas+N Br+[N elas+N Br×A(τ)]×cos(ω Lτ)
證實(shí)當(dāng)布里淵光子數(shù)>1,000時(shí)，頻移誤差<20 MHz，且相機(jī)讀出噪聲≤5e⁻時(shí)仍保持量子噪聲極限性能。
03速度突破
單像素采集時(shí)間25 μs，15 GHz頻譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.1 Hz全場成像速率（300×300 μm²視場），較線掃描法提速100倍。
挑戰(zhàn)與展望
當(dāng)前FTBM臨床轉(zhuǎn)化面臨三重障礙：
光路需雙側(cè)光學(xué)通路，限制體內(nèi)深組織成像；
組織折射率失配引發(fā)偽影；
激光功率上限70 mW制約大視場高分辨率應(yīng)用。
未來突破方向包括：開發(fā)折射率匹配液（如Boothe et al. eLife方案）消除界面畸變；結(jié)合軸向平面顯微術(shù)（Li et al. Sci Rep）提升散射角兼容性；通過級聯(lián)AOM濾波抑制放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲。預(yù)計(jì)5年內(nèi)可實(shí)現(xiàn)腫瘤組織彈性分級、角膜病變早期診斷等臨床場景應(yīng)用，并進(jìn)一步與拉曼聯(lián)用形成"化學(xué)-力學(xué)"多模態(tài)成像平臺。
論文信息聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Bevilacqua C, Prevedel R. Full-field Brillouin microscopy based on an imaging Fourier-transform spectrometer. Nat Photonics. 2025;19(5):494-501.
DOI:10.1038/s41566-025-01619-y.
- 大視野單分子超分辨系統(tǒng)助力胰腺激素分泌調(diào)控的關(guān)鍵研究
- 選擇適合的科研級顯微鏡需要關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和實(shí)際應(yīng)用因素
- 2025年度全球科研級顯微鏡創(chuàng)新功能匯總
- 從明場到熒光：顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)在樣品觀測中的適配分享
- 單細(xì)胞顯微操作系統(tǒng)助力小分子自組裝材料領(lǐng)域的突破性進(jìn)展
- 熒光顯微鏡高質(zhì)量成像的五個要點(diǎn)分享
- Revolution顯微鏡助力組蛋白修飾如何通過脂質(zhì)代謝抵抗淀粉樣蛋白毒性
- Mshot明美MDS4數(shù)字切片掃描儀應(yīng)用于細(xì)胞與組織切片觀察
Copyright(C) 1998-2026 生物器材網(wǎng) 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com