低成本高速度——一种新型高速三维随机读取显微镜

在生物研究领域，要深入理解细胞和深层组织中的生物活动，高速三维成像技术是不可或缺的工具[1-3]。传统的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）因其出色的光学切片能力，广泛应用于厚样本的生物成像研究[4, 5]。然而，由于CLSM通过逐点扫描构建图像，获取三维图像需要对多个光学切片逐层扫描，导致时间成本较高，难以满足三维动态生物事件研究对高时间分辨率的需求。

为应对这一挑战，三维随机读取（random-access）显微镜应运而生，提供了高速三维动态成像的有效工具，推动了相关研究领域的发展[6, 7]。但现有的三维随机读取显微成像方案通常存在结构复杂、成本高昂以及缺乏多色成像能力等局限性，限制了其在生物学研究中的广泛应用。

2024年11月11日，深圳湾实验室侯尚国团队联合上海交通大学仲冬平团队、南昌大学邓素辉团队，在Nature旗下期刊Communications Engineering上发表了题为“Three-dimensional random-access confocal microscopy with 3D remote focusing system”的研究论文。研究团队提出了一种新型的具有远程聚焦系统的三维随机读取共聚焦显微成像技术（3D-DyFI）。相比传统的三维随机读取成像方法，该技术在保持空间分辨率的同时，将轴向响应时间提升了34倍，实现了高达500 Hz的成像刷新率。研究团队通过荧光微球、活细胞成像及不同位置荧光珠的监测实验，验证了3D-DyFI技术的有效性。该技术有望为细胞生物学、神经科学及疾病研究提供更加快速、精准的成像手段。并且该论文被选录于“Microscopic Imaging in Deep Tissue”专辑。

 

1.系统设计

3D-DyFI系统采用635 nm、561 nm和488 nm激光作为激发光源，支持多色成像。如图1a所示，激光经消色差双合透镜扩束后进入三维动态聚焦系统（3D Galvo），该系统由两个正交振镜和一对平凹透镜组成，可精确控制激光焦点在三维空间中的位置。激光经扫描筒镜进入物镜，有效减少因振镜扫描带来的场畸变和像差。荧光信号经物镜收集，并通过三维动态聚焦系统实现去扫描，最后由雪崩光电二极管（APD）检测记录。实验结果显示，3D-DyFI的成像点扩散函数（PSF）与传统压电平台相当（图1b-c），验证了其高空间分辨率。图1d-f进一步表明系统在x、y、z轴的电压与焦点位置呈线性关系，证明了系统对激光焦点的精准控制和稳定性。

图1. 3D-DyFI系统的原理示意图、点扩散函数和线性表征