导读

近日，美国斯坦福大学W. E. Moerner团队展示了基于干涉图像扫描显微镜的无标记活细胞成像成果。该团队创新地将干涉散射检测与图像扫描显微镜相结合，并开发自适应像素重分配算法，在活细胞内部实现约120纳米的横向分辨率，同时将每个衍射受限光斑的入射照明功率降低一个数量级，显著减少光损伤，为活细胞的高分辨率、低干扰成像提供新方向。该研究成果近日发表于国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Interferometric Image Scanning Microscopy for label-free imaging at 120nm lateral resolution inside live cells”，美国斯坦福大学Michelle Küppers为论文第一作者，W. E. Moerner为论文通讯作者。

研究背景

活细胞高分辨率成像在生命科学基础研究、疾病早期诊断及药物研发中至关重要，现有活细胞成像技术存在明显局限：基于荧光标记的成像技术虽应用广泛、分辨率较高，但需依赖染料或基因修饰，易引发光毒性、干扰细胞正常生理功能，且难以实现长时间动态观测；基于无标记的传统成像技术虽可避免标记干扰，但要么空间分辨率不足，无法清晰分辨细胞内细微结构，要么需要较高的入射照明功率，易损伤活细胞，难以兼顾高分辨率与低光毒性的需求。回音壁模式微腔兼具高Q值与光谱响应特性，却因模式周期性导致波长测定范围窄，多微腔拓展效果仍不及其他原理，难以兼顾宽光谱、高精度与高集成性。

此外，当前活细胞无标记高分辨率成像研究仍存在未解决的核心问题：一方面，传统无标记成像技术的信号检测灵敏度有限，在活细胞复杂的内环境中易受背景噪声和散斑干扰，导致成像对比度低，难以精准区分目标结构与周围环境；另一方面，现有高分辨率无标记成像方案多依赖复杂的光学系统设计，设备体积庞大、集成度低，且缺乏适配活细胞观测的低功率照明优化策略，无法实现芯片级集成与便携式应用，同时难以在长时间观测中维持细胞活性，制约了活细胞无标记高分辨率成像技术的实用化与普及。

创新研究

针对上述问题，研究团队创新性地提出干涉图像扫描显微镜无标记成像方案（如图1概念示意）。通过将干涉散射检测与图像扫描显微镜技术深度融合，利用衍射受限光斑的逐点扫描与干涉信号叠加，突破传统无标记成像技术横向分辨率不足的局限，在活细胞内部实现120纳米的高分辨率成像，同时彻底规避荧光标记带来的光毒性和生物功能干扰。

图1：干涉式光谱测量技术（iISM）原理及干涉式点扩展函数（iPSF）。

研究团队还开发了自适应像素重分配算法。通过该算法对扫描采集的干涉信号进行精准解析和像素重构，有效抑制活细胞复杂内环境中的背景噪声与散斑干扰，显著提升成像对比度，解决传统无标记成像在活细胞环境中信号辨识度低的问题；同时结合低功率照明策略，将单个衍射受限光斑的入射照明功率降低一个数量级，实现活细胞的长时间低损伤动态观测。

此外，研究人员进一步优化了成像系统的光学结构与器件适配方案（如图2系统特性展示）。通过精简干涉检测模块的光学元件、优化光路布局提升系统集成度，克服传统高分辨率成像设备体积庞大、操作复杂的弊端，为便携式活细胞成像设备的研发奠定基础；同时优化后的光学系统与活细胞培养环境具有良好兼容性，无需对样品进行特殊预处理，解决现有高分辨率成像技术对活细胞样品适配性差的问题，推动无标记活细胞成像技术的实用化发展。

图2：采用自适应像素重分配（APR）流程的干涉式ISM（ilSM）技术。

总结与展望

综上，该研究通过干涉散射检测与图像扫描显微镜的创新性融合，结合自适应像素重分配算法及优化的系统光学设计，成功实现活细胞内部的无标记高分辨率成像。研究不仅突破传统无标记成像技术分辨率不足、光毒性强的核心瓶颈，还提升了系统集成度与样品适配性，为活细胞内细微结构的动态观测提供了可靠技术手段，推动了无标记成像技术在生命科学研究中的实用化进程。

未来研究可进一步优化光学系统的集成度与便携性，推动设备的小型化开发以满足现场检测需求；同时可拓展技术的适用光谱范围，结合多模态成像策略提升对复杂活细胞环境的观测能力。此外，通过算法的持续迭代提升成像速度，有望实现对活细胞生理过程的高速动态追踪，为疾病机制研究与精准医疗提供更有力的技术支撑。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02210-y