Opto-Electronic Advances
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新加坡国立大学黄志伟教授团队开发了一种先进的SRS三维显微成像技术，即相位控制SRS（PC-SRS）显微技术。相比于传统SRS 点扫描显微镜技术，PC-SRS在成像速度和深度方面有显著的提高，在实时监测活细胞和生物组织的功能和动态过程方面具有巨大潜力。
第一作者：汪伟奇
通信作者：黄志伟
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研究背景
三维显微镜成像技术可提供立体结构信息，在复杂生物结构的研究中表现出色。尤其是非线性光学显微镜技术，在分辨率、深层成像能力、多功能集成以及动态过程观测等方面相对于线性光学显微镜技术具有显著优势。相干拉曼散射(CRS)显微镜(如相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)和受激拉曼散射(SRS)显微镜)便是其中的佼佼者。CRS显微镜利用样品中固有的生物分子振动来创建图像，开辟了研究细胞和生物组织复杂结构及分子组成的新途径，该技术无需添加任何荧光标记，即可揭示活细胞和组织中细胞内外分子的动态和功能机制以及代谢活动。
在CRS 显微镜技术中，CARS显微镜是最早被开发出来的，但在实际应用中遭遇多种问题，例如失真的拉曼光谱图像以及非共振背景干扰引起的低灵敏度等。SRS显微镜技术成功地克服了非共振背景干扰等障碍，实现了高灵敏度、定量的生化成像。近年来，SRS被广泛应用于多个领域，如癌症诊断和特征分析、肿瘤代谢监控、药物传递和药效学研究、分子遗传学、器官功能研究以及发育生物学等。在SRS显微镜技术中，两束激光(泵浦光和斯托克斯光)在空间和时间上结合并聚焦在样品上。当它们的频率差与目标分子的振动频率相匹配时，会在相位匹配方向上发生相干拉曼散射过程，从而赋予SRS定量分子成像以获取生物分子信息。
本文亮点
近日，新加坡国立大学黄志伟教授团队开发了一种先进的SRS三维显微成像技术，即相位控制SRS (PC-SRS)显微技术。PC-SRS提出了一种独特的成像系统设计，通过使用一对轴锥镜，将泵浦光转换成环形光束，结合高斯斯托克斯光束(图1(a))，即可在一个空间光调制器上同时编码两种波长差别较大(~240 nm)的光束。基于这种设计，研究人员结合Zernike多项式(图1(b-d))，分别对两束光进行像差校正，进一步提高系统的成像质量与信噪比。由于环形泵浦光束经过物镜之后，可在样品上形成抗散射的贝塞尔光束。因此PC-SRS的光学系统设计可以精确控制贝塞尔光束的长度，调整样品内的局部激光能量密度来实现高信噪比。通过快速电子调节空间光调制器上的相位模式，该技术可以控制泵浦光和斯托克斯光束在样品中的轴向位置，无需机械z扫描即可实现快速和深层组织的无标识三维化学成像(图1(e-g))。
研究团队简介
黄志伟教授是新加坡国立大学设计与工程学院生物医学工程系光学生物成像实验室主任。他是生物医学、生物光子学和显微成像领域的世界知名专家。其主要研究领域包括生物医学、光学显微镜、拉曼光谱和成像等，该团队专注于超分辨显微镜和非线性光学显微成像技术（例如相干拉曼散射显微镜、多光子显微镜）的开发以及在生物医学领域的应用。此外，该团队致力于新型光纤拉曼光谱和内窥镜成像技术的研发，用于上皮前癌和癌症的早期诊断和检测。黄志伟教授领导的光学成像实验室在拉曼内窥镜和无标记超分辨生物成像技术方面的研究处于全球领先地位，目前已在《自然光子学》、《胃肠病学》等顶级期刊上发表了130多篇文章，并在全球范围内做出了100多场主题演讲、主旨演讲和邀请报告。该团队已申请了20多项美国专利，其中10项已获得商业化许可。黄志伟教授发明的IMDX技术在德国Medica列出的十大医疗设备中排名第一，身兼国际光学和光子学学会（SPIE）的选举会士。
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Opto-Electronic Advances (OEA，光电进展) 是一本同行评议的英文学术月刊，创刊于2018年3月，已被SCI、EI、Scopus、DOAJ、CA和ICI等数据库收录，影响因子15.3，位于JCR Q1区，中科院一区。由中国科学院主管，中国科学院光电技术研究所主办并出版，面向全球发行。OEA主要报道光电领域的前沿创新科研成果。期刊栏目包括原创论文、综述和快讯等，欢迎投稿！
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编辑 | 曾晚婷 张诗杰
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