给分子装上“GPS + 验金笔”：三维目标锁定单分子光谱动态显微镜

示范二：把“起泡”的细胞膜实时量化

在强蓝光与 Nile Red 染料条件下，细胞膜会出现blebbing（起泡）现象。团队用 100 nm 银纳米颗粒（AgNP）当“锚点”做 3D 追踪，同时读出周围 Nile Red 的光谱变化：

□ 起泡出现的半累计时间约 5.26 分钟；

□ 周边膜区更易起泡（频率约为内侧的 1.75 倍）；

□ 起泡时 AgNP 垂直方向速度约 0.45 ± 0.08 μm/min，横向更慢；

□ 与此同时，光谱峰位以约 0.65 ± 0.32 nm/min 的速率蓝移，对应膜极性下降。

这些细节过去用二维扫描式光谱显微镜很难完整拿到。 

3D-SpecDIM用于量化细胞起泡过程

示范三：多分辨率融合——“看清点，也看清景”

系统可在锁定单个目标的同时，利用双 APD 把周边结构“积木式”拼成三维体视图，把微观过程镶嵌在细胞级上下文里，既看动态，也懂语境。

关键原理，用大白话说

□ 目标锁定 3D 追踪（TL-3D-SMT）：用电光偏转器（XY）和声透镜（Z）让激光焦点像“三维梭子”一样快速来回扫；利用光子时间信息，在FPGA中通过 算法实时估计分子偏离中心的量，再驱动压电台把分子“拉回中间”。这样快物体不丢失、厚样品也顶得住。

□ 棱镜光谱通道：把荧光分为“参考图像”和“光谱条带”，通过像素偏移实现一帧就能配准光谱；只读一条谱带，读得快，帧率上限 644 fps。

这对生物医学研究意味着什么

□ 把“化学变化”与“运动过程”合二为一：比如受体结合、相分离、药物作用、代谢酸化等，过去要折腾多种仪器轮番上阵，现在一次成像就能连贯量化。

□ 拓展到荧光以外：方法同样可做散射光谱与拉曼的动态成像，瞄准纳米催化、化学反应等“非标记”体系的活体过程。

数据与方法的“诚实账单”

□ 帧率与读取受限于相机硬件，但在毫秒量级即可拿到有用光谱；ViT_d 的增益在高光子条件下更显著，这是如实的边界条件。

□ 光谱解混的优势经对照实验与补充图表系统验证；起泡统计在不同染料/功率条件下也做了发生率审计。

一句压轴：3D-SpecDIM把“单分子追踪”和“化学指纹”合成了同一条时间轴。对生命科学而言，这不只是画面更清晰，而是问题能被更精准地提问——从今天起，我们不光能知道“它去了哪儿”，还能知道“它一路上发生了什么”。

深圳湾实验室侯尚国研究员与哈尔滨工业大学（深圳）张永兵教授为论文共同通讯作者。深圳湾实验室和哈尔滨工业大学（深圳）联培博士研究生沙浩、深圳湾实验室博士生吴宇和张永兵教授为共同第一作者，深圳湾实验室博士生刘冉参与本项研究。此研究得到了深圳市医学研究专项（B2301003）、国家自然科学基金（22204106、62031023、62331011），深圳市科技项目（GXWD20220818170353009），仪景通-深圳湾实验室光学成像技术开发项目（S234602004-4），以及广东省珠江人性项目的支持。

深圳湾实验室侯尚国课题组研究方向包括多维动态光学显微成像技术开发、病原体与宿主相互作用机制、定量生物分子动态成像和人工智能生物成像。课题组常年招收光学、电子信息、计算机科学、细胞生物学等相关专业博士研究生、博士后、研究助理、助理研究员等。欢迎感兴趣的优秀青年联系，课题组网站https://houlab.szbl.ac.cn/，具体招聘详情请查看深圳湾实验室网站招聘网页。