基于傅里葉光譜的全場(chǎng)布里淵生物力學(xué)顯微技術(shù)

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(shù)原理
01傳統(tǒng)技術(shù)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(diǎn)/光譜），導(dǎo)致單點(diǎn)測(cè)量耗時(shí)數(shù)百毫秒。例如780 nm波段實(shí)現(xiàn)0.5 GHz分辨率需掃描數(shù)小時(shí)，無(wú)法滿足生物樣本實(shí)時(shí)成像需求。

干涉圖包絡(luò)提取：通過(guò)邁克爾遜干涉儀獲取散射光程差信號(hào)，僅需在激光頻率ωₗ附近稀疏采樣（Nₗ≥3點(diǎn)），擬合余弦函數(shù)提取振幅衰減包絡(luò)
頻譜重建：對(duì)包絡(luò)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(hào)

03光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
照明端：光片照明（厚度10 μm）激發(fā)樣本聲學(xué)振動(dòng)
探測(cè)端：雙路干涉光路中，電機(jī)控制空心角反射器產(chǎn)生納米級(jí)程差，sCMOS相機(jī)同步捕獲全場(chǎng)干涉圖

發(fā)展歷程與應(yīng)用場(chǎng)景
012009-2023：概念驗(yàn)證與技術(shù)迭代
2009年 布里淵生物力學(xué)關(guān)聯(lián)性確立（Prevedel, Nat Methods）
2023年 線掃描技術(shù)提速100倍（Bevilacqua, Nat Methods）
2025年 全場(chǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)

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

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

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

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

挑戰(zhàn)與展望
當(dāng)前FTBM臨床轉(zhuǎn)化面臨三重障礙：
光路需雙側(cè)光學(xué)通路，限制體內(nèi)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(chǎng)高分辨率應(yīng)用。

未來(lái)突破方向包括：開(kāi)發(fā)折射率匹配液（如Boothe et al. eLife方案）消除界面畸變；結(jié)合軸向平面顯微術(shù)（Li et al. Sci Rep）提升散射角兼容性；通過(guò)級(jí)聯(lián)AOM濾波抑制放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲。預(yù)計(jì)5年內(nèi)可實(shí)現(xiàn)腫瘤組織彈性分級(jí)、角膜病變?cè)缙谠\斷等臨床場(chǎng)景應(yīng)用，并進(jìn)一步與拉曼聯(lián)用形成"化學(xué)-力學(xué)"多模態(tài)成像平臺(tái)。

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.