导读

高数值孔径荧光显微镜虽可实现亚细胞级的高分辨率，但其景深仅数微米，厚样品极易偏离焦平面导致失焦；若进一步采用多光谱成像，残余色差还会引发不同波段间的焦面偏移与图像配准失真，严重影响定量分析与多色标记观测。针对上述关键难题，法国国家信息与自动化研究所（INRIA）联合芬兰坦佩雷大学等机构团队，提出多光谱全深度超构光学成像系统（Multispectral All-Depth meta-opTic Imaging System）创新方案，该系统将学习型超构光学与物理引导神经网络集成于统一的端到端框架中，在单次曝光、无需轴向扫描的前提下，首次实现高数值孔径条件下的多光谱信息与大景深的荧光成像。

该系统在NA1.1的高数值孔径条件下，将有效景深拓展至50µm，提升幅度达到传统宽场显微镜的82倍。其光谱覆盖433–681nm波段，可实现四通道荧光信号同步采集。在50µm厚MDCK II细胞球与16µm厚小鼠肾组织切片的成像验证中，MANTIS在大幅扩展景深的同时，依旧能保持出色的图像对比度与清晰的亚细胞结构。不仅如此，该系统算法效率优异，深度卷积神经网络（D-CNN）处理单张四通道512×512像素图像仅需7.53 ms，既能完成高质量离线重建，也为高速实时生物成像提供了可靠支撑。

该工作以“Multispectral Extended Depth-of-Field Fluorescence Microscopy with Co-designed Meta-Optics and Neural Reconstruction” 为题，发表在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

长期以来，同时实现高分辨率、大景深、多光谱同步、单次快照成像，一直是荧光显微领域亟待解决的关键难题。

在传统扩展景深荧光显微成像方法中，轴向逐层扫描方法占据主流：研究人员通过移动样品或物镜，沿光轴采集Z轴序列图像（Z-stack），再通过后期融合得到全景深结果。但这种“用时间换取景深”的模式存在明显短板——成像耗时较长，活细胞样本易出现运动伪影，反复光照还会加剧光漂白与光毒性，影响观测效果。共聚焦、光片显微、远程调焦等先进技术虽能改善部分问题，但往往需要复杂光路、额外透镜或分光组件，大幅提升了系统复杂度与成本。

多光谱荧光成像的普及，进一步加剧了挑战。显微镜的点扩散函数会同时受数值孔径、波长与离焦状态影响，即便使用高消色差能力的高NA物镜，在厚样本中依然会出现不同荧光通道焦平面不一致的现象，残余色差会让不同荧光通道的最佳焦面发生偏移，造成图像错位、配准失真，严重影响多色标记样本的定量分析。

创新研究

首先，研究团队通过图1阐述了MANTIS系统的核心设计思路——将超构光学相位编码与后端重建网络置于同一可微分计算框架内进行端到端联合优化。研究人员在改造后的宽场荧光显微镜中引入4f系统，将物镜的傅里叶面重新成像至外部光路，并在此处放置由二氧化钛（TiO?）纳米柱阵列构成的学习型超构光学元件。传感器最终采集到的是受深度与波长共同调制的模糊图像，再通过深度卷积神经网络（D-CNN）快速重建为多通道、全景深的清晰荧光图像。

图1：MANTIS 多光谱全深度超构光学成像系统示意图。

在训练与仿真环节（图2），研究团队固定显微镜光学参数，仅调整傅里叶面采样间距与目标景深，分别针对25 µm、50 µm、75 µm三种扩展景深（EDoF）目标开展模型训练（图2）。结果显示，当景深从 25 µm 提升至 75 µm 时，重建保真度会随之逐步下降，而50 µm 配置在景深扩展程度与图像重建质量之间实现了最优平衡。研究团队进一步将训练优化后的50 µm 多光谱超构光学器件实际加工制备，并与传统宽场显微镜、单波长超构光学方案开展了系统对照实验（图3）。通过对包埋于凝胶中的1 µm 荧光微球以500 nm步长进行轴向扫描成像，结果显示：MANTIS 所测得的多光谱点扩散函数（PSF），在深度与波长两个维度上的变化均显著平缓于传统显微镜，证明超构光学有效降低了系统对轴向离焦的敏感性。

图2：50 µm 多光谱扩展景深仿真学习结果。

图3：50 μm 目标景深范围内的实验点扩散函数（PSF）。

在真实生物样品验证环节，研究团队对比了传统宽场显微镜和 MANTIS 系统成像效果，并选用两类未出现在训练集的厚样品进行测试：针对约50 µm 厚的 MDCK II 细胞球（图4），MANTIS 可清晰区分相邻细胞轮廓及 DAPI 标记的细胞核，细节辨识度大幅提升；对于16 µm 厚的小鼠肾脏组织切片（图5），该系统无需逐次重新对焦，就能在不同轴向偏移位置，稳定保留肾小管与细胞骨架的精细结构，充分体现其在复杂厚样品成像中的实用价值。

图4：传统宽场显微镜与 MANTIS 系统拍摄的 MDCK II 细胞球成像对比。

图5：16 µm 厚小鼠肾脏切片成像。

总结展望

研究团队创新性本研究构建了超构光学编码——神经网络重建一体化的 MANTIS 成像方案，通过 TiO? 纳米柱阵列超构光学元件调控波前，配合后端深度学习网络，在NA 1.1、50 µm 大景深、433–681 nm 多光谱条件下，实现了荧光显微单次曝光全景深成像。并通过荧光微珠、MDCK 细胞单层、厚细胞球，小鼠肾组织切片多组实验证实：该系统相比传统宽场显微镜，都能在大深度范围内保持更高成像对比度与细节清晰度，无需反复对焦，非常适合厚生物样品多通道结构信息的一次性采集。

展望未来，后续可通过引入系统像差优化设计、拓宽光谱覆盖范围、升级体成像重建算法，进一步完善该系统。该系统有望成为厚样品快速多色荧光显微成像的实用新方案，并在生物医学组织观测与细胞成像中具备广泛的应用前景。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02337-y