中国光学 本文由论文作者团队投稿
导读
细胞和组织的力学性质在功能调控、发育过程及疾病机制中发挥关键作用。然而，现有力学检测技术如原子力显微镜和光学相干弹性成像，仍面临接触性、成像深度有限或空间分辨率不足等难题，难以实现活体样品的高精度、三维力学成像。
布里渊显微镜是一种新兴的全光学、非接触、三维力学成像技术并具有高空间分辨率，其通过分析受激布里渊散射信号中频移和谱宽信息，可分别表征样品的弹性模量与粘性，在生物力学、肿瘤学、眼科学等领域展现出巨大潜力。然而，由于信号极弱与系统限制，传统布里渊成像速度慢、光谱分辨率有限，难以满足活体成像与动态过程监测需求。
近日，中国科学院上海光学精密机械研究所杨帆研究员牵头成功研制了高时空分辨受激布里渊显微镜，在保持优异成像质量和高频谱特异性的前提下，将成像速度提升两个数量级，首次在国际上实现了亚毫秒时间分辨与亚微米空间分辨的三维力学成像，为生命科学中的力学研究提供了重要工具。相关成果于2025年7月10日以题为“Stimulated Brillouin scattering microscopy with a high-peak-power 780-nm pulsed laser system”的研究论文，发表于Nature Photonics。该研究由中国科学院上海光机所齐云研究员为第一作者，杨帆研究员和陈卫标研究员为共同通讯作者。研究工作得到上海科技大学谢菁菁研究员、中国科学院脑智卓越中心杜久林研究员、蔡时青研究员以及浙江大学夏鹏研究员团队的鼎力支持。
高时空分辨受激布里渊显微镜设计思路与性能验证
受激布里渊散射（SBS）信号强度与泵浦光和探测光的强度乘积成正比。因此，通过使用脉冲激光照明方式，可以相比连续激光（CW）方式获得一个放大系数（T/τ），其中τ为脉冲宽度，T为脉冲周期。2023年，杨帆研究员与Robert Prevedel博士合作，使用准连续波SBS（QCW-SBS）技术将传统的CW-SBS显微镜所需的光功率降低了10倍，降低了受激布里渊显微镜的光毒性（详见中国光学报道：《Nat. Methods | 生物力学显微成像新方法》）。尽管QCW-SBS大大降低了所需光功率，但单像素成像时间仍达20毫秒。
为了进一步提升成像速度，研究团队研制了一套创新型脉冲激光系统：先通过主振荡器-功率放大器结构，在1560 nm波段产生纳秒级激光脉冲，再经二次谐波转换获得780 nm脉冲光。不同于传统“先放大后切割”的低效路径，研究团队采用“先切割后放大”的方式，将泵浦能量集中注入低占空比的纳秒脉冲，显著提高了输出功率。最终获得了峰值功率达267 W、脉宽6 ns、重复频率1 MHz的780 nm脉冲光。尽管强脉冲极大提升了SBS信号，但其伴随的噪声仍是关键挑战之一。为此，团队还研制了一套自平衡探测系统实现31.3 dB的噪声抑制。
图1：脉冲激光受激布里渊显微(PL-SBS)成像示意图和测量精度表征
研究团队搭建了脉冲激光SBS显微镜（PL-SBS，图1b），将泵浦光与探测光聚焦到样品同一位置，通过扫描样品实现三维成像，系统测量空间分辨率达到0.49×0.49×2.1 µm³（图2）。并使用蒸馏水作为测试样品，在每像素驻留时间200微秒、平均光功率仅30 mW的条件下，获得了7.7 MHz的频移精度（图1c,d），相比之下，QCW-SBS系统在相同光功率下需20毫秒驻留时间才能达到类似水平，因此研究团队将成像速度提升了100倍。
图2：脉冲激光受激布里渊显微(PL-SBS)空间分辨率
活细胞与斑马鱼卵泡的高分辨、低光毒性布里渊成像
为了验证PL-SBS在生物力学成像中的实际性能，研究团队首先对多种细胞系进行成像。图3b-d展示了HeLa细胞不同z层面上的布里渊频移、谱宽和增益图像，图像质量高、细节清晰。值得注意的是，核仁区域相较于核质区域，表现出更高的布里渊频移和谱宽，且布里渊增益更低，反映出明显的亚细胞结构力学差异。每幅2000×220像素的图像仅需88秒即可获取，成像速度显著提升。
图3：细胞和斑马鱼卵泡的高分辨、低光毒性PL-SBS成像
研究团队进一步将系统应用于斑马鱼卵泡成像（图3e-g）。成像结果首次揭示：卵母细胞中的Balbiani小体（一种无膜亚细胞结构）表现出显著更高的布里渊频移，提示其刚度高于周围区域。这一发现凸显了PL-SBS系统在亚细胞尺度上的高空间分辨率和力学灵敏度。
类器官PL-SBS成像：自平衡探测展现卓越图像质量
为进一步验证自研自平衡探测系统在生物力学成像中的效果，研究团队对肺癌类器官进行了比较成像实验，涵盖布里渊频移、谱宽及拟合误差（即每像素布里渊光谱与洛伦兹拟合之间的均方根差异）（图4）。成像条件包括：①使用自平衡探测、②在培养液中进行平衡探测、③在类器官内部进行平衡探测、④无平衡探测。
结果显示，仅有自平衡探测方案清晰分辨出类器官内细胞的亚细胞结构细节（图4b），而其他三种条件下图像质量均不理想，缺乏细节（图4c-e）。相比之下，自平衡探测显著降低了拟合误差，提升了成像分辨率和对比度，充分展示了该系统在复杂生物样品力学成像中的独特优势。
图4：类器官的高质量PL-SBS成像
区分异质结构：斑马鱼幼虫中高特异性成像
为进一步验证PL-SBS系统的高光谱分辨能力与成分分辨能力，研究团队对3天发育期的斑马鱼幼虫脊索区域进行成像（图5）。图5b-g展示了高质量的侧向布里渊图像，图5h为轴向图像，可清晰分辨液泡细胞、中轴管和细胞外基质等结构。
图5：斑马鱼幼虫的高特异性PL-SBS成像
快速记录胚胎发育：线虫胚胎活体力学成像
为展示系统的高时间分辨率，研究团队对秀丽隐杆线虫胚胎从2细胞期到4细胞期的发育过程进行了实时力学成像（图6）。该实验以1.5分钟时间间隔连续采集分辨率为467×120像素的2D图像，用时仅56秒，而传统QCW-SBS系统采集同样分辨率图像需要18分钟以上，难以捕捉快速细胞分裂过程。
图6还展示了细胞分裂过程中的核动态变化：AB细胞的细胞核在分裂前消失，分裂后重新出现，而P1细胞随后也完成分裂，展示了系统在动态成像中的高灵敏度与高时间分辨率。
图6：线虫胚胎的高时空分辨PL-SBS成像
总结
本研究展示了一套具备高时空分辨率、低光毒性、高光谱分辨率的PL-SBS布里渊显微成像平台，突破传统SBS显微镜成像速度与灵敏度的技术瓶颈，在多个生物模型中展现出显著性能优势。该系统有望成为揭示生命力学机制、探索疾病发生与发育动态的全新工具，推动布里渊显微技术向更广泛的基础研究与临床应用场景拓展。
论文信息
Qi, Y., Yao, S., Du, ZX. et al. Stimulated Brillouin scattering microscopy with a high-peak-power 780-nm pulsed laser system. Nat. Photon. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41566-025-01697-y
