北京理工大學光電學院趙維謙教授課題組提出了具有高穩定、高分辨、抗散射的激光差動共焦拉曼-布裏淵圖譜成像新原理，研製成功了相應的儀(yi) 器，實現了樣品三維形貌、力學性能和化學組分的多維信息檢測，並與(yu) 北京大學航天臨(lin) 床醫學院（航天中心醫院）合作，利用該研製儀(yi) 器對腫瘤組織進行了有效表征分析。相關(guan) 工作發表在Light: Science & Applications上 (Light: Science & Applications，12, 129 (2023))。該研究工作以北京理工大學為(wei) 第一通訊單位，趙維謙教授為(wei) 通訊作者，邱麗(li) 榮教授為(wei) 論文的第一作者。

癌變細胞和正常細胞在形態、化學性質和力學性質等方麵有明顯差異，腫瘤組織細胞化學和力學性能的檢測可為(wei) 細胞及人體(ti) 組織病變過程提供多維信息。現有組織細胞形態、力學性能、化學性能的檢測方法中，共焦拉曼光譜顯微技術可對樣品微區化學性能進行非接觸、無標記探測，共焦布裏淵光譜顯微技術可對樣品微區力學性能進行非接觸、無損探測，將共焦拉曼光譜與(yu) 布裏淵光譜檢測技術結合，來同時、同位檢測組織甚至亞(ya) 細胞結構的微區三維形貌、化學性能和機械力學性能，有望為(wei) 組織細胞多維病變信息的檢測提供新手段。

現有共焦拉曼/布裏淵光譜顯微成像技術由於(yu) 缺少高精度實時定焦能力，致使掃描過程中聚焦在樣品上的光斑大小隨著樣品的高低起伏而變化，從(cong) 而製約了共焦光譜顯微係統理論空間分辨力的實現；其次，由於(yu) 拉曼和布裏淵散射光譜強度較弱，成像積分時間較長，共焦光譜顯微係統極易受係統漂移的影響而導致離焦，進而影響空間分辨力和成像質量等；此外，在對生物組織切片樣品進行成像時，垂直入射產(chan) 生的熒光信號會(hui) 降低樣品拉曼光譜的信噪比，從(cong) 而影響拉曼光譜和布裏淵光譜探測的準確性，降低檢測精度。

鑒於(yu) 此，該團隊在國家自然基金重點項目“機械形態性能激光分光瞳差動共焦布裏淵—拉曼光譜測量原理與(yu) 傳(chuan) 感係統（51535002）”等項目支持下，發明了圖1所示的高穩定、高分辨、抗散射分光瞳激光差動共焦拉曼-布裏淵（Divided-aperture Laser Differential Confocal Raman-Brillouin，DLDCRB）圖譜成像新方法（授權中國發明專(zhuan) 利ZL 201410086366.5和歐洲發明專(zhuan) 利EP 3118608 B1），該方法將分光瞳激光差動共焦顯微技術與(yu) 拉曼光譜和布裏淵光譜探測技術相結合，通過差動共焦測量技術進行納米精度的樣品定焦，來提高係統空間分辨力和穩定性；通過分光瞳斜向激發與(yu) 探測技術進行反射光和層間散射光等幹擾光的抑製，來提高係統的光譜探測信噪比；通過拉曼光譜與(yu) 布裏淵光譜的同源激光激發與(yu) 高分辨分離探測，來實現微區幾何形貌、拉曼光譜和布裏淵光譜的高穩定、高分辨原位圖譜成像。

圖1. DLDCRB光譜顯微成像原理

基於(yu) 該方法研製了圖2所示的具有高空間分辨力和三維成像聚焦跟蹤能力的DLDCRB光譜顯微鏡，其軸向定焦分辨力達1nm、光譜成像橫向分辨力達400nm、拉曼光譜分辨力達0.7cm^-1、布裏淵光譜探測分辨力達0.5GHz等。

圖2. DLDCRB光譜顯微鏡

利用研製的DLDCRB光譜顯微鏡，對條形樣品進行了清晰成像，結果如圖3所示，驗證了所提方法的抗漂移能力；對PMMA/SiO₂雙層樣品進行了檢測，結果如圖4所示，驗證了所提方法抑製離焦層散射光幹擾的能力。

（a）經典共焦光譜係統成像（模糊） (b) DLDCRB光譜係統成像（清晰）

圖3. 傳(chuan) 統共焦光譜係統與(yu) DLDCRB光譜顯微鏡結果對比

(a) 斜向激發與(yu) 收集光路   (b) 壓縮了散射體(ti) 軸向尺寸

圖4. 係統抗離焦噪聲幹擾機製

利用研製的DLDCRB光譜顯微鏡，對胃癌組織和癌旁正常組織進行了拉曼-布裏淵光譜成圖實驗分析，證實了之前有關(guan) 癌組織中蛋白質物質發生變化以及組織之粘彈性變化導致浸潤性增加的假設。

圖5給出了DLDCRB光譜顯微鏡對胃癌組織與(yu) 癌旁正常組織的化學成像結果，濃度由拉曼光譜特征峰的強度來表征。胃癌組織與(yu) 癌旁正常組織化學成像結果相比：膠原蛋白濃度低且分布離散；胃癌細胞的DNA物質濃度高且分布範圍大；胃癌組織細胞基質內(nei) 的蛋白質濃度低；胃癌組織的脂質在基質內(nei) 濃度高，而正常組織的脂質分布相對均勻。

圖5.胃癌組織與(yu) 癌旁正常組織化學成像結果

圖6給出了DLDCRB光譜顯微鏡對胃癌組織與(yu) 癌旁正常組織的力學性能成像結果，布裏淵光譜的頻移表征物質的儲(chu) 能模量（彈性性能），布裏淵光譜的半高寬表征物質的損耗模量（粘性性能）。胃癌組織與(yu) 癌旁正常組織力學成像結果相比，胃癌細胞和細胞間質的彈性低於(yu) 正常細胞和細胞間質，癌細胞細胞核的彈性高於(yu) 正常細胞；胃癌細胞和細胞間質的粘性低於(yu) 正常細胞和細胞間質，癌細胞細胞核的粘性高於(yu) 正常細胞。

圖6. 胃癌組織與(yu) 癌旁正常組織的力學性能對比圖

該研究工作得到了國家自然科學基金（51825501、U22A6006）的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01153-y

附作者簡介：

趙維謙，北京理工大學光電學院教授。主要從(cong) 事精密光電儀(yi) 器技術研究工作，主持國家自然基金科學儀(yi) 器研製項目、國家自然基金聯合基金集成項目、國家自然基金重點項目、國家重大科學儀(yi) 器設備開發專(zhuan) 項項目等20餘(yu) 項，在Photonics Research、J Anal Atom Spectrom、Opt Laser Technol等期刊發表SCI論文90餘(yu) 篇，授權發明專(zhuan) 利150餘(yu) 項。兼任國務院學位委員會(hui) “儀(yi) 器科學與(yu) 技術學科”學科評議組成員等。榮獲1項國家技術發明獎一等獎（排名2）、1項國家技術發明獎二等獎（排名1）、5項部級技術發明/科技進步一等獎等。

邱麗(li) 榮，北京理工大學光電學院教授。從(cong) 事光學精密成像/檢測方法、技術與(yu) 裝備研究，主持國家自然基金重點項目、儀(yi) 器基金和國家重點研發計劃重大科學儀(yi) 器設備開發專(zhuan) 項等10餘(yu) 項項目。在Photonics Research、J Anal Atom Spectrom、Optics Express等期刊發表SCI論文80餘(yu) 篇，授權發明專(zhuan) 利近百項。獲1項國家技術發明二等獎（序2）、2項國防技術發明一等獎和2項學會(hui) 一等獎等6項科技獎項。