近日，中科院长春光机所朱洪波研究员与美国波士顿大学程继新教授，田磊教授团队合作，在国际重要学术期刊Nature Communications在线发表题为“Bond－selective intensity diffraction tomography”的研究论文。该论文报道了基于中红外光热效应的三维化学显微成像技术实现无干涉仪结构下的三维高分辨率、高速、定量相位的无标记生物成像的研究工作。
光学显微成像技术在现代生物学研究和临床医学中具有重要应用，其对亚细胞结构的可视化和定量化能力可以使科学家们更加深刻地理解细胞生理学。在众多光学显微成像方案中，中红外光热（MIP）显微镜具有无标记指纹识别生物大分子并将其可视化的优点，并且突破了传统红外光谱显微镜的低分辨率和低速率的限制，因此受到科研界的广泛关注。然而，现有的MIP显微镜所存在的体成像速度慢、深度分辨率低，难以定量成像等难题，是制约该技术发展的主要瓶颈。
针对此，美国波士顿大学赵建博士（现任职于美国麻省理工学院）开发出一种基于计算成像技术的三维键选择性无标记成像MIP显微镜，主要是将时间门控泵浦探测MIP显微镜与基于脉冲激光的强度衍射层析成像（IDT）相结合，该新技术被称为键选择性强度衍射层析成像（BS－IDT）。图1展示了BS－IDT的原理及实验系统结构。BS－IDT利用了中红外指纹区域的MIP效应，并通过泵浦探测技术获取携带生物化学信息的样品折射率分布图。中红外指纹区的每个吸收峰区域对应一个独特的分子振动键，可以区分样品中不同的化合物。当中红外激光束照射到样品时，分子的振动键吸收激光导致短暂的局部温度升高，从而改变了样品的局部折射率分布。所产生的热通常可以在几微秒到几十微秒时间内散除，通过中红外激光的高速脉冲开关调制，使样品产生周期性的中红外光吸收，使得样品在“热”和“冷”的状态中切换。在此过程中，采用具有多个非共振探测光束的且足够快速和灵敏的脉冲IDT成像系统可以在微秒时间内捕获这些信息，通过对比“热”和“冷”不同状态下折射率分布的差异，从而定量地将样品的化学信息转换为折射率在三维空间的分布变化。
长春光机所研制的蓝光半导体激光环形阵列作为探测激光束，为实现BS－IDT起到了重要作用。此环形阵列主要是由16个连续（CW）光纤耦合半导体激光器组成，其中心波长为450nm，每个半导体激光器可通过电调制实现重复频率（0至10 kHz）和脉冲持续时间（约0．6μs 至约1μs）的可调制工作，用于与检测MIP引起的折射率变化的脉冲中红外激光保持高速同步。在数据采集期间，每个半导体激光器都以与中红外激光器相同的重复频率和脉冲持续时间工作，倾斜照射角度设置为与显微镜的目标数值孔径相匹配，从而使系统允许的空间频率覆盖最大化。与最先进的基于光学衍射层析成像的MIP显微镜相比，BS－IDT能够实现高速（约6 Hz）和高分辨率（横向约350 nm，轴向约1．1 μm）3D高光谱成像，并具有较大的视场（约100 μm×100 μm），将定量化学体成像速度提高了约40倍，深度分辨率提高了约3倍，视场提高了约2倍。BS－IDT技术是一种简单且低成本的生物细胞成像技术方案，可以在无标记的情况下无损地量化单个细胞内不同化学成分分布以及细胞的体积和质量，并且不会干扰细胞功能，可用于红外代谢活体的动态成像，此技术将在三维生物成像领域展现巨大的应用潜力。
本工作为长春光机所王立军院士、宁永强研究员领导的大功率半导体激光团队在可见光半导体激光应用技术研究方向取得的重要突破，也是该研究方向寻求国际合作迈出的重要步伐，有效地推动了蓝光半导体激光器在生物医学领域的应用。赵建博士为第一作者，中科院长春光机所朱洪波研究员、美国波士顿大学田磊教授、程继新教授为共同通讯作者。本研究工作受到国家自然科学基金项目（62222410）、长春光机所人才培养计划项目资助。
图1 BS－IDT原理图及系统结构示意图。a）基于MIP的化学成像原理图；b）BS－IDT系统结构示意图。
图2 膀胱癌细胞的BS－IDT成像图。有丝分裂下固定膀胱癌T24细胞的三维化学成像，介质是 D2O PBS。
