近日，中國科學院西安光學精密機械研究所（以下簡稱西安光機所）瞬態光學研究室研究員姚保利團隊在無標記三維顯微成像領域取得新進展，研究成果發表在《物理學雜志：光子學》。
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光學衍射層析（ODT）是一種無標記、非侵入、定量化的三維顯微成像技術，能夠重建透明或半透明樣品內部的三維折射率分布，在細胞生物學、組織病理學、微生物學和材料科學等領域具有重要應用價值。然而，傳統ODT系統通常依賴馬赫-澤德干涉儀結構、高相干激光光源以及機械掃描裝置，系統復雜，穩定性要求高。近年興起的基于LED陣列的強度型ODT方法雖然簡化了硬件結構，但通常需要多幅強度圖像和復雜迭代算法恢復相位，影響了成像速度和重建效率。
對此，研究團隊提出了一種基于可編程LED陣列照明和定量相位相機的光學衍射層析成像方法（LED-ODT）。該方法在普通商業顯微鏡基礎上進行改造，通過可編程LED陣列實現快速、非機械的多角度照明，依托團隊自主研發的定量相位相機Q-camera，單次曝光即可獲取單角度照明下樣品的復振幅信息；后續結合Rytov近似與傅里葉衍射定理，將多角度復振幅數據映射至三維頻域，最終重構出樣品的三維折射率分布。
論文第一作者、西安光機所2026級博士生李炎介紹，“簡單說，這就是給微觀樣品拍無接觸3D全身透視，就像圍著樣品擺了225盞迷你補光燈挨個換角度打光，不用來回挪機器調樣品，2.7秒就能把內部精細結構掃得明明白白，還能直接裝在普通顯微鏡上用，門檻特別低。”
實驗驗證結果顯示，該方法對未染色COS-7 細胞與浸水胖大海種子的三維折射率成像效果優異：該方法不僅能夠清晰分辨COS-7細胞內脂滴等亞細胞結構，同時也能夠揭示浸水胖大海種子內部三維折射率分布的空間異質性，為天然生物材料的結構與功能研究提供了新的定量三維成像手段。
LED-ODT結構緊湊、成本較低、操作方便，可直接與普通光學顯微鏡平臺結合，在保持成像質量的同時大幅提升了ODT技術的實用性，為透明生物樣品觀測、細胞代謝分析、組織病理研究和天然聚合物材料表征提供了一種快速、無標記、高質量的三維定量顯微成像新工具。
相關論文信息：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2515-7647/ae82d2
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