研究人員開創了一種三維單像素成像（3D-SPI）方法，可對微觀物體進行高分辨率成像，為未來的生物醫學研究和光學傳感提供了一種變革性方法。中國科學院大學龔磊教授領導的研究團隊及其合作者開發了一種基於三維光場照明（3D-LFI）的三維單像素成像（3D-SPI）方法，能夠以接近衍射極限的三維光學分辨率對微觀物體進行體積成像。

科學家們開發出一種基於三維光場照明的突破性三維單像素成像（3D-SPI）技術。這種方法能夠對顯微物體進行高分辨率成像。三維單像素成像方法有可能徹底改變各種生物吸收對比、細胞形態和生長的可視化，為生物醫學研究和光學傳感帶來新的機遇。(顯微成像藝術家概念圖）。

他們通過對單個藻類細胞進行活體成像，進一步證明了該方法對無標記光學吸收對比的三維可視化能力。這項題為”通過三維光場照明進行光學單像素體積成像”的研究最近發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

3D-SPI 技術示意圖。圖片來源：劉一帆攝

單像素成像的優勢

單像素成像（SPI）已成為一種極具吸引力的三維成像方式。通過單像素探測器而不是傳統的陣列傳感器，SPI 在光譜範圍、檢測效率和時間響應方面的性能都超過了傳統的傳感器。此外，單細胞照相機在微弱強度、單光子水平和精確定時分辨率方面都優於傳統成像方法。

挑戰與突破

3D-SPI 技術通常依賴飛行時間（TOF）或立體視覺來提取深度信息。然而，現有技術最多只能達到毫米級，無法對細胞等微觀物體進行成像。為了突破分辨率的限制，研究人員製作了一個3D-LFI-SPM 原型。結果，原型機的成像體積達到約390×390×3,800 μm3，分辨率橫向高達2.7 μm，軸向高達37 μm。他們對活的血球藻細胞進行了無標記三維成像，並成功地在原位對活細胞進行了計數。

潛在應用

可以預見，這種方法可用於觀察生物樣本的各種吸收對比度。有了深度分辨成像能力，科學家們將來就有可能在原位監測細胞形態和生長情況。這項研究為生物醫學研究和光學傳感領域應用高性能三維SPI 打開了大門。