近日，南京理工大學電子工程與光電技術學院陳錢、左超教授課題組提出了一種新型高速、高分辨率三維無標記顯微鏡技術。該工作以“High-Speed High-Resolution Transport of Intensity Diffraction Tomography with Bi-Plane Parallel Detection”為題發表在國際頂尖光學期刊Laser &Photonics Reviews，并當選為期刊封面論文。電光學院博士生周寧和張潤南，碩士生徐偉勝為本文共同第一作者，南京理工大學為第一完成單位和通訊單位。
光學衍射斷層掃描 (ODT) 是一種新興的三維(3D)顯微鏡技術，利用透明生物樣本的固有折射率 (RI) 作為自然對比機制，實現無標記成像。它能夠以 3D 形式可視化和定量表征此類樣本的內部結構。與傳統熒光成像方法不同，ODT 無需外源熒光染料，避免了光毒性和光漂白等潛在問題。因此，這種非侵入性、無標記的方法已廣泛應用于生物物理學、細胞生物學、血液學、微生物學和神經科學等各個領域，為研究人員提供了生物醫學研究和臨床應用的有力工具。
基于非對稱照明的非干涉ODT僅需要利用樣品和照明光束之間的相對角度變化在不同條件下捕獲2D強度圖像。隨后使用這些圖像重建標本的3D RI。當照明的數值孔徑(NA)與物鏡的NA相匹配時，低頻相位分量可以完全轉移到強度圖像中。然而，高NA顯微鏡系統在實驗中通常難以嚴格滿足匹配的照明條件，導致在提高ODT的空間分辨率時出現低頻缺失的問題。雖然低頻區域的相位分量可以通過離焦調制轉移到強度圖像中，但軸向離焦需要在顯微鏡中引入機械運動，限制了它們在生物樣本如活細胞動態成像中的適用性。因此，在無標記非干涉ODT中獲得高時空分辨率的動態3D RI重建仍然是一項重大挑戰。
針對上述問題，陳錢、左超研究團隊提出了一種新型的高速、高分辨率非干涉ODT方法 (High-Speed High-Resolution Transport of Intensity Diffraction Tomography with Bi-Plane Parallel Detection，簡稱BP-TIDT)，并搭建了相關實驗平臺(圖1)。該技術將雙平面檢測方案與強度傳輸衍射斷層掃描相結合，在不引入機械位移的情況下補償了低頻下缺失的相位信息，有效地解決了傳統非干涉ODT無法同時實現高時間和空間分辨率的問題。
圖1 BP-TIDT實驗裝置和雙平面并行檢測光路示意圖
同時，為了解決傳統迭代求解方法計算時間的消耗，推導了如圖2所示的雙平面傳輸光強衍射層析理論模型，通過一次反卷積直接求解線性問題，即可得到樣品的3D RI結果。為了驗證所提出 BP-TIDT 方法的定量 3D RI 重建能力，使用聚苯乙烯微球作為測試樣品進行了實驗，并將結果與純相微球的模擬進行了比較。實驗結果與模擬結果幾乎沒有差異，表明BP-TIDT技術不需要額外的軸向機械位移就可以有效實現定量RI恢復，克服了傳統ODT方法在非匹配照明條件下觀察到的重建質量下降和RI低估的問題。
圖2 從PTF角度闡述光照條件和離焦相位調制在非干涉ODT中的重要性，并通過聚苯乙烯微球的仿真和實驗結果論證BP-TIDT方法的有效性。
圖3展示了BP-TIDT方法與96孔板樣品室兼容性分析，以及高速高分辨率活細胞成像結果。高通量/高內涵成像在生物醫學研究中至關重要，可提供詳細的細胞信息和快速的圖像分析。96 孔板作為高通量/高內涵成像中常用的樣品室，設計有小孔徑和深壁，以維持細胞生長所需的營養豐富的環境，這會限制光入射角度。圖3所示的96 孔板允許的最大照明 NA 為 0.66。當照明 NA 超過此值時，孔壁會阻擋光束，導致圖像信息丟失。本文提出的 BP-TIDT 方法克服了非干涉 ODT 技術中固有的匹配照明條件，使高 NA 物鏡(例如 40× 0.95 NA)在高通量/高內涵成像中的應用成為可能，從而顯著提升成像分辨率。
如圖3(c) 所示，BP-TIDT技術結合96孔培養皿用于 COS-7 細胞的高速、高分辨率 3D RI成像。該圖像顯示了分裂過程中的 COS-7 細胞，具有兩個細胞核。在細胞分裂期間，細胞兩極的胞吞作用很明顯，這是一個高能量需求的時期。這個過程對于細胞的能量和物質攝入調節至關重要。此外，作為細胞的能量來源，線粒體在低能量需求下采用細長的形狀以提高代謝效率，并在細胞分裂期間變得更短更圓以滿足增加的能量需求。研究結果表明，所提出的方法對藥物篩選和分子生物學研究等應用特別有益。該技術通過更快的速度和更高的分辨率促進對生物樣本的詳細體積分析，加速了科學發現。
圖3 BP-TIDT方法與96孔板樣品室兼容性分析及成像結果
上述工作得到了國家重大儀器專項、國家自然科學基金、江蘇省基礎研究計劃前沿引領專項、江蘇省青年基金項目、中央高校科研專項資助項目以及江蘇省光譜成像與智能感知重點實驗室開放基金的支持。
