【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)研究室姚保利研究員團(tuán)隊(duì)在無標(biāo)記三維顯微成像領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于Journal of Physics: Photonics。論文第一作者為西安光機(jī)所2026級博士研究生李炎，通訊作者為閔俊偉研究員和姚保利研究員，西安光機(jī)所為第一完成單位及通訊單位。
 

　　光學(xué)衍射層析(ODT)是一種無標(biāo)記、非侵入、定量化的三維顯微成像技術(shù)，能夠重建透明或半透明樣品內(nèi)部的三維折射率分布，在細(xì)胞生物學(xué)、組織病理學(xué)、微生物學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)ODT系統(tǒng)通常依賴馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)、高相干激光光源以及機(jī)械掃描裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，穩(wěn)定性要求高。近年興起的基于LED陣列的強(qiáng)度型ODT方法雖然簡化了硬件結(jié)構(gòu)，但通常需要多幅強(qiáng)度圖像和復(fù)雜迭代算法恢復(fù)相位，影響了成像速度和重建效率。
 

　　對此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于可編程LED陣列照明和定量相位相機(jī)的光學(xué)衍射層析成像方法(LED-ODT)。該方法在普通商業(yè)顯微鏡基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，通過可編程LED陣列實(shí)現(xiàn)快速、非機(jī)械的多角度照明，依托團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的定量相位相機(jī)Q-camera，單次曝光即可獲取單角度照明下樣品的復(fù)振幅信息；后續(xù)結(jié)合Rytov近似與傅里葉衍射定理，將多角度復(fù)振幅數(shù)據(jù)映射至三維頻域，最終重構(gòu)出樣品的三維折射率分布。
 

　　基于上述LED-ODT方法，研究團(tuán)隊(duì)搭建了由15×15可編程LED陣列和Q-camera組成的緊湊型無標(biāo)記三維顯微成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)最大照明角度可達(dá)52.9°，能夠在2.7秒內(nèi)完成225個(gè)照明角度下的干涉圖采集。該技術(shù)兼具傳統(tǒng)干涉ODT的復(fù)振幅測量精度、共光路ODT的相位測量穩(wěn)定性，以及強(qiáng)度型ODT的硬件簡潔性與操作便捷性，實(shí)現(xiàn)了精度、穩(wěn)定性與易用性的三者兼顧。
 

　　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果顯示，該方法對未染色COS-7細(xì)胞與浸水胖大海種子的三維折射率成像效果優(yōu)異：該方法不僅能夠清晰分辨COS-7細(xì)胞內(nèi)脂滴等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能夠揭示浸水胖大海種子內(nèi)部三維折射率分布的空間異質(zhì)性，為天然生物材料的結(jié)構(gòu)與功能研究提供了新的定量三維成像手段。
 

　　李炎介紹，“簡單說，這就是給微觀樣品拍無接觸3D全身透視，就像圍著樣品擺了225盞迷你補(bǔ)光燈挨個(gè)換角度打光，不用來回挪機(jī)器調(diào)樣品，2.7秒就能把內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)掃得明明白白，還能直接裝在普通顯微鏡上用，門檻特別低。”
 

　　LED-ODT結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低、操作方便，可直接與普通光學(xué)顯微鏡平臺結(jié)合，在保持成像質(zhì)量的同時(shí)大幅提升了ODT技術(shù)的實(shí)用性，為透明生物樣品觀測、細(xì)胞代謝分析、組織病理研究和天然聚合物材料表征提供了一種快速、無標(biāo)記、高質(zhì)量的三維定量顯微成像新工具。
 

　　研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項(xiàng)目的支持。
 

　　姚保利研究員團(tuán)隊(duì)長期專注于無標(biāo)記三維顯微成像領(lǐng)域研究，積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)并取得了諸多研究成果。研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已與國內(nèi)外多家科研院所及高校開展了深入的合作，先后為流場可視化、工業(yè)檢測等應(yīng)用研發(fā)了多種無標(biāo)記三維顯微成像裝置。團(tuán)隊(duì)在Optica、PNAS、PRL、Rep. Prog. Phys.、Adv. Opt. Photon.等期刊上發(fā)表300多篇論文，授權(quán)多項(xiàng)國家發(fā)明專利，曾獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)和陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)。
 

　　引用：中國科學(xué)院西安光機(jī)所在無標(biāo)記三維顯微成像領(lǐng)域取得進(jìn)展 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 【引用時(shí)間：2026年7月31日】