浙江大学开发出一种新型振动成像技术

据《先进光子学》刊载的一项研究显示，我国浙江大学张德龙教授领衔的研究团队开发出一种新型振动成像技术，标志着该领域取得重大突破。该技术为纳米尺度化学与生物研究的深入探索开辟了新路径。

超分辨率显微技术虽能实现对纳米尺度环境的精细观测，但其依赖荧光标记的特性导致化学信息获取受限，主要局限于结构特征的解析。为突破这一技术瓶颈，基于分子特征化学键识别的振动成像方法应运而生，该技术无需标记即可实现无损检测。

此类技术通过探测样品吸收中红外光引发的物理变化实现分子识别，包括温度诱导的声学信号或热吸收导致的折射率变化等。然而现有方法普遍面临信噪比较低的困境，难以同时实现高化学对比度与高空间分辨率。

新近开发的结构光照中红外光热显微术（SIMIP）有效克服了上述限制，其分辨率较传统显微技术实现倍增突破。该技术通过创新性融合结构光照明显微术（SIM）的物理增强机制与中红外光热检测（MIP）的化学特异性优势，成功构建出兼具亚细胞级空间分辨率与化学指纹识别能力的成像平台。

图片:搜狗截图20250416120320.png

SIMIP能够生成富含化学信息和空间信息的高分辨率图像

浙江大学张德龙教授说：“SIMIP显微技术通过融合结构光照明显微术（SIM）与中红外光热检测（MIP）的双重原理实现技术创新。 其中，中红外光热检测模块赋予系统化学键特异性识别能力，而结构光照明显微组件则通过条纹投影的物理增强机制，使样品空间分辨率突破传统光学极限。”

该系统采用量子级联激光器（QCL）来激发特定的化学键，从而实现局部加热，降低附近荧光分子的亮度。一台488纳米连续波激光器和一台空间光调制器（SLM）生成条纹光图案，这些图案以不同角度投射到样品上。

这些图案会产生莫尔条纹，将高频特征编码为科学级互补金属氧化物半导体（sCMOS）相机可检测到的低频可观测信号。通过对比有振动吸收和无振动吸收时捕获的图像，SIMIP（结构光照明显微术与光热红外显微术结合技术）能够重建出同时提供空间信息和化学信息的高分辨率图像。

在概念验证实验中，研究团队采用Hessian SIM（海森结构光照明显微术）和稀疏反卷积方法，实现了约60纳米的空间分辨率和每秒超过24帧的成像速度，超越了传统的中红外（MIR）光热成像技术。通过测试含有热敏荧光染料的200纳米聚甲基丙烯酸甲酯微珠，验证了SIMIP的准确性。

SIMIP通过让QCL在1420–1778 cm-1范围内扫描，成功重建了振动光谱，该光谱与傅里叶变换红外（FTIR）光谱数据高度吻合。

与传统中红外光热成像相比，SIMIP的分辨率提高了1.5倍，其半高全宽（FWHM）为335纳米，而传统方法的半高全宽为444纳米。该技术还展示了在亚衍射聚集体中区分聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯微珠的能力，这是传统荧光显微镜无法做到的。

SIMIP的另一优势在于其能够检测自体荧光，即某些生物分子自然发出的荧光。这可以通过从宽场SIM切换到点扫描SIM来实现结构化自体荧光激发，或者使用更短波长的探测光束进行宽场光热检测，从而增强了与现有光学装置的兼容性。

SIMIP结合了SIM和MIP（光热红外显微术）的优势，提供了超越衍射极限的高速、超分辨率化学成像技术，为材料科学、生物研究和化学分析领域带来了新的可能性。未来的应用包括识别小分子代谢物并研究它们与细胞结构的相互作用。

研究团队计划增强SIMIP的时间同步性，以进一步提高成像速度和准确性，并探索使用温度敏感染料来提高灵敏度。只需进行最少的硬件调整，SIMIP即可在全球实验室中部署使用。

相关链接：https://doi.org/10.1117/1.AP.7.3.036003