高峰值功率脉冲激光赋能受激布里渊散射显微镜，开启生物力学成像新范式

    在生物医学研究中，细胞与组织的力学特性直接决定其行为与功能，精准解析这些特性对疾病机制研究、药物研发等领域至关重要。然而，长期以来，传统生物力学成像技术始终面临难以兼顾的困境：原子力显微镜虽能实现高分辨率测量，却需直接接触样品，易造成侵入性损伤；光学相干弹性成像虽为非侵入式，却难以捕捉亚细胞级别的精细力学细节；传统布里渊显微镜则受限于长成像时间与低信号强度，无法满足活体生物样本的高速、高精度观测需求。
    近日，中科院上海光机所陈卫标、杨帆研究团队在《NaturePhotonics》发表的一项突破性成果，为这一困境带来了全新解决方案——基于高峰值功率780nm脉冲激光系统的受激布里渊散射显微镜，通过核心技术创新，将生物力学成像推向“高速、高精度、低光毒性”的新高度。

    核心技术革新：突破传统成像瓶颈
    这项研究的核心突破在于对激光系统与检测技术的双重革新。传统受激布里渊散射显微镜多采用连续波激光或准连续波激光，前者需高功率输入易引发光毒性，后者因“先放大后斩波”的技术路线导致能量浪费严重，峰值功率仅能达到1-2W，制约了成像速度与信号强度。
    研究团队创新性地采用“先斩波后放大”的技术方案，研发出780nm倍频脉冲光纤激光系统：先将1560nm连续波激光转换为纳秒级脉冲，再通过两级光纤放大与倍频处理，最终实现267W的高峰值功率输出——这一数值较此前系统提升了100倍，而平均功率仅维持在30mW，从根源上降低了光毒性风险。与此同时，针对脉冲激光源固有的高强度噪声问题，团队开发了专门的自动平衡检测系统，在190kHz检测频率下实现31.3dB的噪声抑制，为高精度成像提供了稳定保障。
    一系列关键性能参数的突破彰显了技术实力：像素停留时间低至200μs即可完成全光谱采集，在模型成像中更可压缩至5μs，较传统技术缩短两个数量级；空间分辨率达到0.49×0.49×2.1μm³，频移精度7.7MHz，光谱分辨率132MHz，实现了高速成像与高分辨率、高特异性的完美平衡。

    多元应用验证：解锁生物样本成像新场景
    先进的技术最终需通过实际应用验证价值，该显微镜在多种生物样本的成像中展现出卓越性能，为生物医学研究提供了全新视角。
    在细胞成像领域，研究团队成功对HeLa细胞、小鼠成纤维细胞、人白血病细胞等多种细胞系进行三维成像，清晰区分核仁、核质等亚细胞结构——其中核仁表现出更高的布里渊频移和线宽，却具有更低的布里渊增益，为细胞力学特性研究提供了精准数据。更重要的是，成像后通过碘化丙啶染色检测未发现荧光信号，证明了系统极低的光毒性，为长期细胞观测提供了可能。
    在类器官研究中，该系统展现出独特优势。对患者源性肺癌肿瘤类器官的成像结果显示，自动平衡检测技术能够清晰解析类器官内细胞的亚细胞结构细节，而传统平衡检测或非平衡检测均无法实现这一效果。此外，系统可稳定进行超过2小时的连续成像，且支持对类器官在培养第3、5、7天的延时观测，为肿瘤微环境研究、个性化治疗方案研发提供了强有力的工具。
    在模式生物成像中，技术突破更为显著。对受精后3天的斑马鱼幼虫脊索区域成像时，系统清晰揭示了空泡细胞、中央管、细胞外基质等结构，并通过双峰洛伦兹拟合识别出脑脊液、摆动纤毛等不同组分的布里渊频移，而激发能量较此前技术降低了45倍。在秀丽隐杆线虫成像中，系统成功捕捉到早期胚胎从双细胞到四细胞的快速分裂过程，每帧成像仅需56秒——这一速度较传统准连续波系统的18分钟大幅提升，首次实现了活体线虫胚胎发育的原位动态力学观测，揭示了细胞核与细胞质的刚度差异及其动力学变化。

    技术优势凸显：重塑生物力学成像格局
    与现有技术相比，该脉冲激光受激布里渊散射显微镜呈现出全方位优势。相较于传统受激布里渊散射技术，其全光谱采集时间与激光能量均减少两个数量级，在不牺牲分辨率、精度与特异性的前提下，将成像效率提升至新高度；激发能量较连续波系统降低150倍，光毒性显著降低，更适合脆弱生物样本的长期观测。
    相较于全场布里渊显微镜，该系统虽在超大视场成像效率上略有逊色，但凭借更高的光谱分辨率（132MHz），能够精准区分异质活体生物样品衍射极限焦体积内不同力学响应的组分，机械特异性更强，为材料力学特性分析提供了更精确的光谱数据支撑。

    局限与展望：迈向更广阔的应用前景
    尽管成果显著，该技术仍存在一定局限性：上下显微镜的配置方式限制了可分析的样品类型，样品厚度也被限定在100-200μm；在异质样品中，泵浦光与探测光的重叠度可能影响布里渊增益的稳定性。
    针对这些问题，研究团队提出了明确的优化方向：未来将通过改进激光降噪与样本扫描机制，力争将像素停留时间缩短至10μs，使成像吞吐量与共聚焦荧光显微镜相当；同时，计划将该技术与光学衍射断层扫描等折射率测量技术结合，实现对复杂纵向模量的定量评估，并探索与其他机械探测方法的融合，为生物力学特性解析提供更全面的解决方案。

    这项技术的突破不仅为生物力学成像提供了全新工具，更有望推动细胞生物学、肿瘤学、发育生物学等多个领域的研究革新——从亚细胞结构的力学特性分析，到类器官模型的动态观测，再到活体胚胎发育的实时追踪，该显微镜将持续为生命科学研究注入新动力，为疾病诊断与治疗技术的创新开辟新路径。