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2025-07-15

国际首台：我国科学家成功研制高时空分辨布里渊显微镜

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IT之家 7 月 15 日消息，中国科学院上海光学精密机械研究所杨帆研究员牵头成功研制了国际首台高时空分辨受激布里渊显微镜。

布里渊显微镜是一种新兴的全光学、非接触、三维力学成像技术并具有高空间分辨率，其通过分析受激布里渊散射信号中频移和谱宽信息，可分别表征样品的弹性模量与粘性，在生物力学、肿瘤学、眼科学等领域展现出巨大潜力。然而，由于信号极弱与系统限制，传统布里渊成像速度慢、光谱分辨率有限，难以满足活体成像与动态过程监测需求。

为了进一步提升成像速度，研究团队研制了一套创新型脉冲激光系统：先通过主振荡器-功率放大器结构，在 1560 nm 波段产生纳秒级激光脉冲，再经二次谐波转换获得 780 nm 脉冲光。此外，团队还研制了一套自平衡探测系统实现 31.3 dB 的噪声抑制。该系统在 30mW 平均功率下，实现了每像素仅 200 微秒的成像速度，领先于现有技术水平。

研究团队搭建了脉冲激光 SBS 显微镜（PL-SBS），将泵浦光与探测光聚焦到样品同一位置，通过扫描样品实现三维成像，系统测量空间分辨率达到 0.49×0.49×2.1 µm³。

借助这一显微镜，研究团费使用蒸馏水作为测试样品，在每像素驻留时间 200 微秒、平均光功率仅 30 mW 的条件下，获得了 7.7 MHz 的频移精度。相比之下，QCW-SBS 系统在相同光功率下需 20 毫秒驻留时间才能达到类似水平，因此研究团队将成像速度提升了两个数量级，首次在国际上实现了亚毫秒时间分辨与亚微米空间分辨的三维力学成像，为生命科学中的力学研究提供了重要工具。

为了验证 PL-SBS 在生物力学成像中的实际性能，研究团队首先对多种细胞系进行成像，包括 HeLa 细胞不同 z 层面上的布里渊频移、谱宽和增益图像，图像质量高、细节清晰。值得注意的是，核仁区域相较于核质区域，表现出更高的布里渊频移和谱宽，且布里渊增益更低，反映出明显的亚细胞结构力学差异。每幅 2000×220 像素的图像仅需 88 秒即可获取，成像速度显著提升。

研究团队进一步将系统应用于斑马鱼卵泡成像。成像结果首次揭示：卵母细胞中的 Balbiani 小体（一种无膜亚细胞结构）表现出显著更高的布里渊频移，提示其刚度高于周围区域。这一发现凸显了 PL-SBS 系统在亚细胞尺度上的高空间分辨率和力学灵敏度。

这项研究突破了传统 SBS 显微镜成像速度与灵敏度的技术瓶颈，在多个生物模型中展现出显著性能优势。该系统有望成为揭示生命力学机制、探索疾病发生与发育动态的全新工具，推动布里渊显微技术向更广泛的基础研究与临床应用场景拓展。

IT之家查询发现，相关成果已于 7 月 10 日发表在国际学术期刊《自然・光子学》上，论文地址：
https://doi.org/10.1038/s41566-025-01697-y

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