近日，中國科學院西安光學精密機械研究所聯合瑞士洛桑聯邦理工學院，在生物光學顯微成像與微操縱方面取得進展。該團隊提出了光鑷切片顯微術，實現了懸浮生物細胞的全光式三維成像，為光鑷技術開拓了新應用方向。
光學切片能夠有效分離光學成像過程中的離焦信號進而提取焦信號，是解析細胞三維結構和厚組織深層形態的重要工具，其實現方法包括共聚焦、雙光子、光片、結構光照明顯微等技術。但是，這些技術依賴樣品的機械式固定或粘附，難以適用于懸浮運動目標，限制了其在細胞原位觀測中的應用。此外，人工固定方法存在干擾細胞正常生理機能的風險。
為解決懸浮細胞三維成像難題，該研究將全息光鑷與結構光照明顯微結合，研制出光鑷切片顯微術，為光學切片三維成像提供了全光式解決方案。這一技術的基本思想是利用全息光鑷對懸浮細胞進行固定和軸向掃描，在每個軸向切片位置，采集三幅等相移的結構光照明圖像，最后通過OS-SIM算法重建細胞三維圖像。
其中，全息光鑷在這一技術中扮演了三重角色。一是，全息光鑷通過瓣狀光勢阱實現細胞的多自由度光學束縛，將其布朗運動限制在成像分辨率和結構光條紋周期內，這對結構光照明顯微成像至關重要。二是，全息光鑷對細胞的軸向操控能力滿足樣品掃描需求，消除了對機械平移臺的依賴。三是，集成全息光鑷的顯微技術展現出多功能性，兼具對細胞陣列的三維組裝和成像功能，有望為細胞動力學及胞間通信研究提供三維視角。
上述研究實現了光學微操縱技術與結構光照明顯微的交叉融合，通過光鑷的非接觸式操控能力，突破了懸浮細胞光學切片三維成像的技術瓶頸，建立了“光學捕獲-光學切片-三維重構”技術途徑，為生物成像與操控從2D向3D范式轉換提供了途徑。同時，該成果有望促進光鑷與其他顯微技術的跨領域融合研究，以滿足一些應用對各向同性分辨率、大視場和超分辨率成像的需求。
7月2日，相關研究成果發表在《科學進展》（Science Advances）上。研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃等的支持。