在生物醫(yī)學研究領域，對細胞和組織的機械特性進行精確測量對于理解其功能和行為至關重要。傳統(tǒng)的測量方法往往存在接觸式測量、表面限制或分辨率低等局限性。近年來，布里淵顯微鏡作為一種新興的光學彈性成像技術，能夠以非接觸、無標記的方式對生物樣品的黏彈性特性進行三維成像。然而，由于自發(fā)布里淵散射的截面較低，導致信號微弱，傳統(tǒng)的布里淵顯微鏡成像速度較慢，限制了其廣泛應用。近期，一項發(fā)表于《Nature Photonics》的研究成果——基于傅里葉變換光譜儀的全視場布里淵顯微鏡（FTBM）技術應運而生，為解決這一難題提供了創(chuàng)新解決方案。

研究背景與技術挑戰(zhàn)
生物力學成像的重要性
細胞和組織的力學特性與其功能密切相關。例如，細胞彈性的變化與癌癥、纖維化等疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關；組織粘性的異�？赡軐е滦难�管疾病等。因此，精確測量生物樣本的力學特性對于疾病診斷、藥物研發(fā)等具有重要意義。

傳統(tǒng)布里淵顯微鏡的局限性
布里淵顯微鏡通過檢測光與樣本中熱誘導密度漲落相互作用產(chǎn)生的布里淵散射信號來獲取樣本的力學信息。然而，自發(fā)布里淵散射截面非常小，導致散射概率極低（約10^-12），這使得傳統(tǒng)布里淵顯微鏡需要長時間的信號積分，成像速度極慢。例如，獲取一幅50-250像素的二維圖像通常需要數(shù)分鐘到數(shù)小時。此外，傳統(tǒng)方法在數(shù)據(jù)采集效率、光譜分辨率和三維成像能力等方面也存在顯著不足，難以滿足生物醫(yī)學研究對快速、高分辨率成像的需求。

技術創(chuàng)新與應用
傅里葉變換成像光譜儀的應用
FTBM的核心創(chuàng)新在于采用了定制的傅里葉變換成像光譜儀。傳統(tǒng)傅里葉變換光譜儀通過測量干涉儀輸出光強隨光程差的變化，再經(jīng)過傅里葉變換得到光譜信息。然而，對于布里淵成像所需的亞吉赫茲（sub-GHz）高光譜分辨率，傳統(tǒng)方法需要采集大量數(shù)據(jù)點（約10^6個），導致成像時間過長。FTBM通過巧妙利用布里淵光譜的對稱性，僅需采集少量數(shù)據(jù)點（約100個）即可重建光譜，將數(shù)據(jù)采集量大幅減少超過10,000倍，從而顯著提高了成像速度。

原子氣室過濾技術
為了抑制強瑞利散射背景對布里淵信號的干擾，F(xiàn)TBM引入了原子氣室（如87Rb蒸汽室）。該氣室能夠有效吸收彈性散射光，同時不影響布里淵信號，從而提高了信號的信噪比，使得在生物樣本中的實際應用成為可能。

應用領域
FTBM的這些創(chuàng)新技術使其在生物醫(yī)學領域具有廣泛的應用前景。例如，在癌癥研究中，它可以用于實時監(jiān)測腫瘤細胞彈性的變化，幫助早期診斷和治療評估；在發(fā)育生物學中，能夠動態(tài)觀察胚胎發(fā)育過程中組織力學特性的演變；在材料科學中，可用于表征生物材料的力學性能，為組織工程提供關鍵數(shù)據(jù)。

成像實驗與結果分析
實驗驗證
研究團隊通過一系列實驗驗證了FTBM的性能。在對由油珠嵌入瓊脂制成的異質phantom成像中，F(xiàn)TBM成功獲取了高分辨率的三維布里淵圖像，清晰顯示了樣本的力學異質性。例如，在油珠與瓊脂的界面處，F(xiàn)TBM能夠精確分辨出兩者的布里淵頻移和線寬差異，空間分辨率達到約1.2μm。

在對活體斑馬魚幼體的成像實驗中，F(xiàn)TBM在245×240×151μm³的視場內，以56mW的總照明功率，成功獲取了脊索周圍區(qū)域的高信噪比布里淵頻移圖像。實驗結果清晰顯示了脊索的解剖結構，如空泡細胞和中央管等，驗證了FTBM在活體生物樣本成像中的可行性。

性能優(yōu)勢
成像速度：FTBM的吞吐量達到每秒40,000個光譜，相比傳統(tǒng)共聚焦方法提升了約三個數(shù)量級，能夠實現(xiàn)快速三維成像。

光譜精度：實驗測得布里淵頻移的精度約為70MHz，線寬精度約為120MHz，滿足生物醫(yī)學研究對光譜分辨率的要求。

光毒性：FTBM所需的照明能量僅為每像素11μJ，遠低于共聚焦布里淵顯微鏡（約0.5-5mJ/像素），顯著降低了光毒性，適用于光敏生物樣本的長期觀察。

空間分辨率：通過優(yōu)化光學設計和數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)TBM實現(xiàn)了與傳統(tǒng)方法相當?shù)目臻g分辨率，能夠清晰分辨微米級結構。

總結與展望
FTBM技術作為一項創(chuàng)新的布里淵顯微鏡技術，為生物醫(yī)學成像領域帶來了新的突破。其高速、高分辨率和非接觸式的成像特點，使得對生物樣品的機械特性進行快速、精確的測量成為可能。未來，隨著技術的進一步優(yōu)化和應用范圍的拓展，F(xiàn)TBM有望在細胞力學、組織工程、疾病診斷等領域發(fā)揮更為重要的作用，為揭示生物系統(tǒng)的力學奧秘提供更為強大的工具。

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