我科學家研發三角形光束幹涉顯微鏡 突破活細胞觀測時空極限

　　在生命科學探索微觀世界的征途上，看清細胞内部瞬息萬變、尺度極小的精細結構，是科學家們孜孜以求的目标 —— 這些極小尺度下的動态，如同生命活動的基礎密碼。如今，北京大學未來技術學院席鵬教授團隊從自然界最穩定的三角形中獲得靈感，研發出 “三角形光束幹涉結構光照明顯微鏡”(簡稱 3I-SIM)，以 “三角形架構” 突破活細胞觀測的時空極限，為超高清、高速成像打開嶄新大門。相關成果日前發表于國際學術期刊《自然・光子學》。

　　突破傳統局限：從 “緩慢拼圖” 到 “一步到位”

　　傳統的結構光照明顯微鏡(2D-SIM)雖能突破光學衍射極限，但存在明顯短闆：它通過一束光形成明暗條紋照射樣本，每次僅能提升一個方向的分辨率，需旋轉條紋至 3 個角度分别拍攝，再拼合圖像。“這個過程不僅耗時，多次強光照射還會損傷脆弱的活細胞，加速熒光信号衰減(光漂白)，難以長時間觀察高速生命活動。” 席鵬解釋道。

　　席鵬團隊從三角形的簡潔高效與結構穩定性中汲取智慧，徹底革新研究思路：采用三束激光進行三角幹涉，一步到位在樣本上形成二維六角晶格圖案。這一設計意味着，單次曝光即可同時采集水平和垂直方向的高分辨率信息，重建一張超分辨圖像僅需 7 幀原始圖像，大幅縮短曝光時間，顯著減輕光漂白影響。

　　技術創新：速度與質量的雙重突破

　　為兼顧成像速度與質量，團隊在技術細節上實現多重突破：

　　偏振光優化：摒棄常見的角向偏振光，創新性采用徑向偏振策略，将對微小細節(高頻信息)的捕捉能力提升至與傳統 2D-SIM 相當的水平;

　　AI 算法賦能：自主研發 AI 重建算法，如同為系統裝上強大的降噪 “濾鏡”，顯著增強幹擾環境下提取清晰圖像的穩健性;

　　超高速成像：消除圖像重建時繁瑣的圖案方向匹配過程，系統能以最高每秒 1697 幀的速度進行單幀滾動重建，輕松捕捉以往難以追蹤的高速生命動态。

　　實驗驗證：捕捉生命活動的 “微觀高清紀錄片”

　　3I-SIM 的威力在實驗中得到充分驗證：

　　對神經元生長錐這類極敏感、易被強光損傷的結構，實現長達 13 小時、連續拍攝超 10 萬幀的超分辨成像，如同記錄一部不間斷的微觀生命紀錄片;

　　對細胞内轉瞬即逝的微弱信号(如内質網附近肌動蛋白的瞬間活動)，展現出出色的高速捕捉能力;

　　切換至高速模式時，1697 幀 / 秒的拍攝能力可清晰定格内質網環狀結構閉合過程中的微妙瞬時波動。

　　開源共享：降低科研門檻，推動全球協作

　　尤為可貴的是，團隊将這項突破性技術同步開源，公開涵蓋硬件設計、軟件控制、重建算法及深度學習模型的完整資源包，并配套提供實驗數據集。“開放共享的設計理念，讓全球科研團隊能以較低成本和門檻搭建與升級設備，輕松邁入新一代活細胞超分辨成像領域。” 席鵬表示。

　　從突破傳統技術瓶頸到推動全球科研協作，3I-SIM 不僅為生命科學研究提供了 “利器”，更彰顯了中國科學家在微觀成像領域的引領性創新。