在探索微观世界的征程中，传统显微技术一直是科研人员的重要工具，但随着研究的深入，其局限性也日益凸显。传统的二维传感器，如常见的CMOS、CCD等，虽为众多领域的发展提供了重要支持，从工业检测到医疗诊断，从安防监控到天文观测，它们无处不在，然而在面对三维成像时，却显得力不从心。

在生命科学研究中，细胞内的各种生物分子在三维空间中相互作用，形成了复杂而精细的结构和功能网络。传统的二维成像技术只能捕捉到细胞的平面信息，无法完整呈现细胞内生物分子的三维分布和动态变化。就好比我们看一张平面的城市地图，虽然能知道各个建筑的位置，但无法了解它们的高度、楼层结构以及内部的空间布局。在观察神经元时，二维成像难以展示神经元复杂的树突和轴突在三维空间中的延伸和连接，这对于研究神经信号的传递和处理机制无疑是巨大的阻碍。

传统显微成像还面临着成像光学像差的问题。简单来说，光学像差会使得经过成像系统的点光源在二维数字传感器中弥散成光斑（点扩散函数PSF），导致图像模糊、分辨率下降。光学工程专家花费百余年时间致力于完美成像系统的设计方案，通过精密的镜片设计、组合以进行像差校正。然而，光学设计和制造的难度随着空间带宽积(光学系统的自由度总数)的增加呈指数增长。在一个普通的千万像素传感器中，成像系统的有效像素数通常被光学像差限制在百万像素级别，这极大地限制了我们对微观世界细节的观察。在观察细胞内的细胞器时，由于光学像差，原本清晰的细胞器轮廓变得模糊不清，难以分辨其精细结构。在对纳米材料进行观测时，光学像差导致无法准确测量其尺寸和形态，影响了对材料性能的研究。

此外，传统显微技术在实现高分辨动态成像方面也存在困难。许多生物过程，如细胞分裂、胚胎发育等，都是在动态变化中进行的，需要显微镜能够实时捕捉到这些过程中的高分辨率图像。传统显微技术难以在保证高分辨率的同时，实现快速的动态成像，导致我们无法完整地记录和分析这些生物过程。

面对传统显微技术的种种困境，高分辨率三维介观尺度荧光显微技术应运而生，其核心在于扫描光场成像原理和数字自适应光学架构，这两项关键技术的突破，为我们带来了全新的微观世界观察视角。

▏****扫描光场成像原理

简单来说，扫描光场成像利用微透镜阵列或多相机阵列等方式，从不同角度同时记录物体发出或反射的光线信息，形成四维光场数据，这其中不仅包含了光场的强度信息，还涵盖了光场的角度信息。在扫描光场成像中，不同角度的光线携带了物体不同部分的信息，通过对这些信息的采集和处理，我们能够构建出物体的三维结构和表面纹理等信息。

为了更清晰地理解，我们可以以斑马鱼胚胎的成像为例。斑马鱼胚胎是研究胚胎发育的重要模型，其内部细胞的动态变化对于了解生命的起源和发展至关重要。利用扫描光场成像技术，科研人员可以从多个角度对斑马鱼胚胎进行成像，获取其在不同发育阶段的三维图像。通过这些图像，能够观察到胚胎细胞的分裂、迁移和分化过程，就像观看一部关于生命起源的高清纪录片，细胞的每一个细微变化都能被清晰地捕捉到。

在传统的光场成像中，由于像素大小与微透镜大小的限制，空间分辨率相对较低。而扫描光场成像通过移动微透镜的方式，提高了空间采样率，进而提高了空间分辨率。就像用一个像素更高的相机去拍摄物体，能够看到更多的细节。这种技术突破，使得我们在观察微观世界时，能够分辨出更小的结构和更细微的变化。

▏****数字自适应光学架构

数字自适应光学架构则是高分辨率三维介观尺度荧光显微技术的另一大核心，其主要作用是校正成像像差，提升成像质量。该架构主要通过对光学像差的精确测量和补偿来实现成像质量的提升。在实际成像过程中，光线会受到多种因素的影响，如样本的非均质性、光学系统的不完善以及环境的干扰等，这些因素都会导致光线的传播路径发生改变，从而产生像差。数字自适应光学架构利用先进的算法和传感器，实时监测光线的传播情况，精确计算出像差的大小和分布。然后，通过对光线的数字调制，对像差进行补偿，使得光线能够准确地聚焦在探测器上，从而获得清晰、高分辨率的图像。

数字自适应光学架构还具有强大的灵活性和适应性。它可以根据不同的成像需求和样本特点，自动调整校正参数，实现对各种复杂成像环境的优化。在对不同生物样本进行成像时，该架构能够根据样本的光学特性和成像要求，自动选择最合适的校正算法和参数，确保获得最佳的成像效果。

▏****性能优势全解析

一、三维视场的飞跃

得益于扫描光场成像原理和数字自适应光学架构的完美结合，高分辨率三维介观尺度荧光显微技术在三维视场方面实现了重大突破。与最先进的商业化荧光显微镜相比，其三维视场提升了90倍。这一提升意味着什么呢？

在生物学研究中，以往的显微镜可能只能观察到一小部分组织或细胞群，对于更大范围的生物结构，如完整的小型生物体、较大的组织切片等，很难进行全面的观察和分析。而新技术的出现，使得科研人员能够一次性获取更大范围的三维图像信息，就像从用一个小孔看世界，变成了站在一个开阔的广场上俯瞰周围的一切，视野变得更加广阔。在研究果蝇胚胎发育时，传统显微镜需要多次移动样本、拼接图像，才能勉强获得胚胎的大致形态和部分发育过程信息，不仅耗时费力，而且图像拼接过程中还可能出现误差。而使用高分辨率三维介观尺度荧光显微镜，科研人员可以直接观察到整个果蝇胚胎在不同发育阶段的三维结构变化，从细胞分裂的起始，到各个器官的逐渐形成，每一个细节都清晰可见，这为深入研究胚胎发育机制提供了更全面的数据支持。

二、成像通量的飙升

该技术在成像通量方面同样表现出色，相比传统显微镜提升了322倍。成像通量可以理解为单位时间内获取的图像信息量，成像通量的大幅提升，极大地提高了成像效率。

在药物研发过程中，需要对大量的细胞样本进行筛选和分析，以评估药物的效果和安全性。传统显微镜成像速度较慢，完成一次大规模的细胞样本成像需要耗费大量的时间，这无疑会拖慢药物研发的进度。而高分辨率三维介观尺度荧光显微技术凭借其高成像通量的优势，可以在短时间内对大量细胞样本进行快速成像和分析，科研人员能够迅速获取细胞在药物作用下的形态、结构和功能变化等信息，大大提高了药物筛选的效率，加速了新药研发的进程。它还可以用于高通量的生物芯片检测，能够快速准确地读取生物芯片上的大量信息，为基因表达分析、蛋白质检测等研究提供了高效的手段。

三、长时程观测的实现

在细胞生物学中，细胞的增殖、分化、迁移等过程往往是在较长时间内发生的，需要显微镜能够长时间稳定地对细胞进行三维成像。传统显微镜由于存在光毒性、光漂白等问题，很难实现长时间的连续观测。高分辨率三维介观尺度荧光显微技术通过优化成像光路和信号检测方法，降低了光对样本的损伤，减少了光漂白现象的发生，使得科研人员可以对细胞进行数小时甚至数天的三维长时程观测。在研究肿瘤细胞的转移过程时，科研人员可以利用该技术实时观察肿瘤细胞从原发部位脱离、迁移到周围组织，再到远处器官定植的全过程，深入了解肿瘤转移的机制，为开发有效的肿瘤治疗方法提供重要的理论依据。在神经科学研究中，对神经元的发育、神经网络的形成和可塑性等过程的长时程观测，也有助于我们更好地理解大脑的工作原理和神经系统疾病的发病机制。

▏****应用领域

一、生物医学研究

在疾病病理学研究中，高分辨率三维介观尺度荧光显微技术发挥着至关重要的作用。癌症是威胁人类健康的重大疾病之一，其发病机制复杂，涉及多个基因和信号通路的异常。利用高分辨率三维介观尺度荧光显微技术，科研人员可以清晰地观察肿瘤组织中癌细胞的三维形态、分布以及与周围组织的相互作用。通过对乳腺癌组织样本的成像分析，能够精确地看到癌细胞的增殖、浸润和转移过程，以及肿瘤微环境中血管生成和免疫细胞浸润的情况。这些详细的信息有助于揭示癌症的发病机制，为癌症的早期诊断和精准治疗提供关键依据。

在神经退行性疾病研究方面，如阿尔茨海默病，该技术同样具有重要价值。借助高分辨率三维介观尺度荧光显微技术，科研人员可以在三维空间中观察这些病理标志物在大脑中的分布和聚集过程，以及它们对神经元形态和功能的影响。这有助于深入了解阿尔茨海默病的发病机制，为开发有效的治疗药物和干预措施提供重要线索。

在药物研发过程中，该技术也为科研人员提供了强大的支持。在筛选抗癌药物时，科研人员可以将癌细胞与药物共同培养，然后利用高分辨率三维介观尺度荧光显微技术实时观察药物对癌细胞的作用效果。通过对癌细胞形态、结构和功能变化的三维成像分析，能够快速评估药物的疗效和安全性，筛选出具有潜在治疗价值的药物分子。该技术还可以用于研究药物的作用机制，了解药物如何与癌细胞内的靶点相互作用，以及药物在细胞内的代谢过程，从而为优化药物设计和提高药物疗效提供依据。

二、细胞生物学探索

细胞是生命的基本单位，对细胞生物学的深入研究是理解生命现象和生命过程的基础。高分辨率三维介观尺度荧光显微技术为细胞生物学研究带来了前所未有的机遇，让我们能够更清晰地观察细胞内部的动态生物过程，深入了解细胞的奥秘。

在细胞分裂过程中，染色体的精确分离是确保细胞遗传信息稳定传递的关键。利用该技术，科研人员可以实时观察活体细胞内染色体在三维空间中的动态变化，从染色体的凝缩、排列到分离的全过程都能清晰呈现。通过对这些过程的详细观察和分析，有助于揭示细胞分裂的调控机制，以及染色体异常分离与疾病发生的关系。在胚胎发育过程中，细胞的分化和迁移是形成各种组织和器官的基础。借助高分辨率三维介观尺度荧光显微技术，能够对胚胎细胞进行长时间的三维成像观察，追踪细胞在胚胎发育过程中的命运变化，了解细胞如何通过分化和迁移形成复杂的组织和器官结构。这对于研究胚胎发育的分子机制、揭示先天性疾病的发病原因具有重要意义。

细胞内的信号传导通路是细胞对外界刺激做出响应的重要机制，它涉及多种信号分子在细胞内的相互作用和传递。该技术可以帮助科研人员观察这些信号分子在三维空间中的分布和动态变化，研究它们如何在细胞内传递信号，以及信号传导通路的异常与疾病发生的关联。在研究细胞对生长因子的响应时，能够通过高分辨率三维成像观察到生长因子受体在细胞膜上的分布和激活情况，以及下游信号分子在细胞内的传递路径和激活状态，从而深入了解细胞增殖和分化的调控机制。

高分辨率三维介观尺度荧光显微技术的诞生并非一蹴而就，而是科研人员长期探索和不懈努力的结果。它源于科研人员对传统显微技术局限性的深刻认识和对微观世界更深入探索的渴望。

作者 | 几维鸟 毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。

初审 | 陈嘉琦、李书豪

复审 | 魏星华

终审 | 韩永林

来源: 吉林科普微窗