生命科学研究的深入，离不开对细胞内部微观世界的精准观测。传统光学显微成像受限于衍射极限，难以捕捉亚细胞结构的细节；而非线性显微成像技术虽能突破这一限制，却常面临分辨率不足、光毒性较高或成像深度有限的困境。近日，艾博纳团队发布的一项技术成果，为解决这些问题提供了创新方案。
非线性显微成像的核心在于利用光与物质的非线性相互作用——仅在激发光强度极高的焦点区域产生信号，从而实现天然的光学切片效果。常见的非线性成像技术包括双光子荧光成像、受激拉曼散射成像等，它们在生物样本观测中具有独特优势：近红外激发光可减少生物组织的光吸收，成像深度较可见光显微更深；焦点外无信号产生，避免了对非观测区域的光损伤。但现有系统在实际应用中仍存在瓶颈：生物组织的折射率不均匀会导致像差，降低成像分辨率；而提高激发光强度以获得更高分辨率，又会增加对活细胞的光损伤风险。
针对这些挑战，艾博纳团队从光学系统设计与算法优化两方面入手，构建了一套新型非线性显微成像平台。在光学模块上，团队引入了自适应光学矫正单元：通过波前传感器实时采集样本引起的波前畸变数据，再利用空间光调制器动态调整激发光的相位分布，有效抵消了像差对成像质量的影响。同时，团队创新设计了复合激发光路，将涡旋光与高斯光进行相干叠加，形成具有特殊空间分布的激发光斑——涡旋光的螺旋相位可压缩光斑的横向尺寸，使非线性信号的产生区域进一步缩小，横向分辨率较传统双光子成像提升约60%。在探测与数据处理环节，团队采用了高灵敏度的单光子雪崩二极管阵列探测器，其时间分辨率可达纳秒级，能高效捕捉微弱的非线性信号。为进一步提升图像质量，团队开发了基于卷积神经网络的图像重构算法：该算法通过学习大量高分辨率样本数据，可在保留细节信息的前提下，显著降低背景噪声，且无需依赖复杂的硬件升级。实验数据显示，在成像速度维持原有水平的情况下，该算法能将轴向分辨率提升至150nm，同时减少30%的激发光强度，有效降低了光毒性——这对长时间观测活细胞动态过程至关重要。
实验室验证结果表明，该技术在多种生物样本中表现出色。在活的HeLa细胞观测中，团队成功捕捉到了线粒体裂变与融合的动态过程，清晰呈现了线粒体膜上蛋白质复合物的分布细节；在小鼠大脑皮层切片成像中，穿透深度达到450μm，可观测到深层神经元的树突棘形态；在植物拟南芥的根毛样本中，能分辨出细胞壁的微纤丝结构，且连续成像24小时后，样本活性未受明显影响。该技术的应用价值得到了行业专家的认可。某高校生物医学工程系教授表示，活细胞的长时间高分辨率观测一直是领域内的难点，这项技术在分辨率、光毒性和成像深度之间实现了良好的平衡，为研究细胞内动态过程提供了更可靠的工具。团队负责人介绍，目前该技术已在多个科研项目中进行试用，反馈积极，未来将进一步优化系统的稳定性和易用性，推动其在更多领域的应用。
非线性显微成像技术的进步，对生命科学研究具有重要意义。从细胞内分子的相互作用到组织器官的结构功能，更高分辨率、更低光毒性的成像技术能帮助科学家揭示更多未知的生命现象。该团队的这项成果，不仅为非线性显微成像领域带来了新的技术思路，也为相关学科的发展注入了动力。随着技术的不断成熟，它有望成为生命科学实验室中的常规工具，加速基础研究向临床应用的转化。
艾博纳微纳米科技有限公司是一家位于苏州市高新区（Medpark）和江苏省淮安市的高科技企业，成立于2022年8月。公司专注于高端光学科学仪器和医学成像设备的研发、制造与销售。
其产品涵盖显微成像解决方案、真空与镀膜技术以及光学元件，产品范围从基础光学显微镜到先进的纳米级三维成像显微镜。
公司还致力于新一代人工智能驱动的科学设备研发，聚焦于纳米尺度二维材料电子器件（如石墨烯芯片）的应用研究，并结合诺贝尔奖获奖技术进行创新探索。
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