西安光机所在无标记三维显微成像领域取得进展

近日，中科院西安光机所瞬态光学研究室姚保利研究员团队在无标记三维显微成像领域取得新进展，相关研究成果以“Optical diffraction tomography using programmable LED array illumination and quantitative phase camera”为题目，发表于Journal of Physics: Photonics上。

光学衍射层析（ODT）是一种无标记、非侵入、定量化的三维显微成像技术，能够重建透明或半透明样品内部的三维折射率分布，在细胞生物学、组织病理学、微生物学和材料科学等领域具有重要应用价值。然而，传统ODT系统通常依赖马赫-泽德干涉仪结构、高相干激光光源以及机械扫描装置，系统复杂，稳定性要求高。近年兴起的基于LED阵列的强度型ODT方法虽然简化了硬件结构，但通常需要多幅强度图像和复杂迭代算法恢复相位，影响了成像速度和重建效率。

对此，研究团队提出了一种基于可编程LED阵列照明和定量相位相机的光学衍射层析成像方法（LED-ODT）。该方法在普通商业显微镜基础上进行改造，通过可编程LED阵列实现快速、非机械的多角度照明，依托团队自主研发的定量相位相机Q-camera，单次曝光即可获取单角度照明下样品的复振幅信息；后续结合Rytov近似与傅里叶衍射定理，将多角度复振幅数据映射至三维频域，最终重构出样品的三维折射率分布（如图1所示）。

图1. LED-ODT系统的装置示意图及其工作原理

基于上述LED-ODT方法，研究团队搭建了由15×15可编程LED阵列和Q-camera组成的紧凑型无标记三维显微成像系统。该系统最大照明角度可达52.9°，能够在2.7秒内完成225个照明角度下的干涉图采集。该技术兼具传统干涉ODT的复振幅测量精度、共光路ODT的相位测量稳定性，以及强度型ODT的硬件简洁性与操作便捷性，实现了精度、稳定性与易用性的三者兼顾。

图2. COS-7细胞的三维折射率重建结果

实验验证结果显示，该方法对未染色COS-7细胞与浸水胖大海种子的三维折射率成像效果优异：该方法不仅能够清晰分辨COS-7细胞内脂滴等亚细胞结构（如图2所示），同时也能够揭示浸水胖大海种子内部三维折射率分布的空间异质性（如图3所示），为天然生物材料的结构与功能研究提供了新的定量三维成像手段。

图3. 浸水胖大海种子的三维折射率重建结果

李炎介绍，“简单说，这就是给微观样品拍无接触3D全身透视，就像围着样品摆了225盏迷你补光灯挨个换角度打光，不用来回挪机器调样品，2.7秒就能把内部精细结构扫得明明白白，还能直接装在普通显微镜上用，门槛特别低。”

LED-ODT结构紧凑、成本较低、操作方便，可直接与普通光学显微镜平台结合，在保持成像质量的同时大幅提升了ODT技术的实用性，为透明生物样品观测、细胞代谢分析、组织病理研究和天然聚合物材料表征提供了一种快速、无标记、高质量的三维定量显微成像新工具。

研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会等项目的支持。论文第一作者为西安光机所2026级博士研究生李炎，通讯作者为闵俊伟研究员和姚保利研究员，西安光机所为第一完成单位及通讯单位。

相关内容：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2515-7647/ae82d2