基于傅里葉光譜的全場布里淵生物力學顯微技術

本研究成果由 Carlo Bevilacqua 和 Robert Prevedel 共同完成，以《Full-field Brillouin microscopy based on an imaging Fourier-transform spectrometer》為題，于2025年2月在《Nature Photonics》發(fā)表。

技術原理
01傳統(tǒng)技術瓶頸
常規(guī)布里淵光譜依賴虛擬成像相位陣列（VIPA）或法布里-珀羅干涉儀，需按奈奎斯特定理密集采樣（>10⁶點/光譜），導致單點測量耗時數(shù)百毫秒。例如780 nm波段實現(xiàn)0.5 GHz分辨率需掃描數(shù)小時，無法滿足生物樣本實時成像需求。

干涉圖包絡提取：通過邁克爾遜干涉儀獲取散射光程差信號，僅需在激光頻率ωₗ附近稀疏采樣（Nₗ≥3點），擬合余弦函數(shù)提取振幅衰減包絡
頻譜重建：對包絡函數(shù)作傅里葉變換，將頻譜中心歸零重建，避免全頻段掃描
噪聲抑制：銣蒸氣池濾除>80 dB彈性散射光，保留布里淵信號

03光學系統(tǒng)設計
照明端：光片照明（厚度10 μm）激發(fā)樣本聲學振動
探測端：雙路干涉光路中，電機控制空心角反射器產生納米級程差，sCMOS相機同步捕獲全場干涉圖

發(fā)展歷程與應用場景
012009-2023：概念驗證與技術迭代
2009年 布里淵生物力學關聯(lián)性確立（Prevedel, Nat Methods）
2023年 線掃描技術提速100倍（Bevilacqua, Nat Methods）
2025年 全場成像突破：FTBM將數(shù)據(jù)吞吐量提升至40,000 spectra/s，較共聚焦方法快三個數(shù)量級

重要發(fā)現(xiàn)
01仿體三維成像
油滴-瓊脂糖樣本測試中，系統(tǒng)以273×323×72 μm³視場同步獲取頻移/線寬分布，空間分辨率達0.58 μm（橫向），頻移精度±70 MHz：

02光學噪聲抑制模型
建立光子探測方程：2N detect=N ASE+N elas+N Br+[N elas+N Br×A(τ)]×cos(ω Lτ)

證實當布里淵光子數(shù)>1,000時，頻移誤差<20 MHz，且相機讀出噪聲≤5e⁻時仍保持量子噪聲極限性能。

03速度突破
單像素采集時間25 μs，15 GHz頻譜范圍內實現(xiàn)0.1 Hz全場成像速率（300×300 μm²視場），較線掃描法提速100倍。

挑戰(zhàn)與展望
當前FTBM臨床轉化面臨三重障礙：
光路需雙側光學通路，限制體內深組織成像；
組織折射率失配引發(fā)偽影；
激光功率上限70 mW制約大視場高分辨率應用。

未來突破方向包括：開發(fā)折射率匹配液（如Boothe et al. eLife方案）消除界面畸變；結合軸向平面顯微術（Li et al. Sci Rep）提升散射角兼容性；通過級聯(lián)AOM濾波抑制放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲。預計5年內可實現(xiàn)腫瘤組織彈性分級、角膜病變早期診斷等臨床場景應用，并進一步與拉曼聯(lián)用形成"化學-力學"多模態(tài)成像平臺。

Bevilacqua C, Prevedel R. Full-field Brillouin microscopy based on an imaging Fourier-transform spectrometer. Nat Photonics. 2025;19(5):494-501.

DOI:10.1038/s41566-025-01619-y.