通过协同设计的超表面光学元件与神经重建实现的多光谱扩展景深荧光显微镜

一次快照看得更多

现代生物学常依靠荧光显微镜来观察活细胞的活动，但有一个问题：在任意时刻，只有样品的一小片薄层是清晰的。本研究介绍了一种名为MANTIS的新方法，允许科学家在单次曝光中捕获穿透微小组织全厚度的清晰彩色图像，从而减少等待时间并降低对活样品的光损伤。

为什么厚样品难以成像

荧光显微镜通过荧光染料标记细胞的特定部分，揭示如DNA、骨架样纤维和膜等结构。为观察极细微的细节，这些显微镜使用能收集大量光的透镜，但这也缩小了景深——看起来清晰的区域。在厚样品（如组织切片或三维细胞团）中，只有很窄的一层处于焦点，上下的结构会变成模糊。传统的解决办法是移动样品或透镜，上下拍摄多张不同深度的图像再合成，但这速度慢、易产生运动伪影，并且使细胞多次暴露于光照中。

颜色又增加了难度

许多生物实验同时依赖多种荧光颜色，每种颜色标记不同的分子或结构。然而，不同颜色的光在透镜中的传播并不完全相同，因此它们的最佳焦平面并不完全重合。在厚样品中，这会导致在同一深度下一些颜色清晰而另一些颜色模糊，使判断两个标记是否真正在同一位置变得困难。现有的扩展景深或将光分拆为多视图的技巧往往以牺牲分辨率为代价，或需要复杂的硬件，或仍依赖在深度或颜色上进行扫描。

一层薄的有图案透镜与智能算法

MANTIS系统通过共同设计光学元件与图像重建来应对这些限制。显微镜包含位于光路关键平面的一层超薄有图案表面，由微小柱状结构构成。这种“超表面”重塑了来自不同深度和颜色的光在相机传感器上的扩展方式，使记录到的模糊在远大于通常景深的区域内携带有用信息。随后，一个受物理引导的神经网络学习如何将这些模糊模式解码回所有波长的清晰图像。研究者将超表面设计与神经网络一同在逼真的数据上联合训练，使两者成为相互配合的整体而非独立组件。

从仿真到真实细胞与组织

研究团队通过仿真探讨了在不丢失太多细节的情况下可将景深扩展到多远，目标范围在使用高数值孔径透镜时可达75微米。他们展示了MANTIS能在深度和四个不同颜色通道上较为稳定地维持图像质量，随着深度范围增大仅接受小幅锐度权衡。随后他们制造了该超表面并将其安装到改装的荧光显微镜中。荧光珠实验证实，与标准系统相比，模糊随深度和颜色的变化更小。在成像平面细胞层、约50微米厚的三维细胞球体以及小鼠肾脏组织时，MANTIS重建在单次曝光中保留了细胞轮廓、细胞核和细微结构贯穿样品厚度，而传统图像在焦平面外迅速变得模糊。

这对未来显微成像的意义

通俗地说，MANTIS让研究者无需重新对焦并叠加多帧，就能获得透视小型三维生物样品的清晰多光谱视图。通过将定制的有图案表面与训练过的神经网络结合，该系统在景深、细节与颜色一致性之间达成了常规透镜无法实现的平衡。虽然它并不会像某些扫描方法那样分离出单独的深度层，但它为实现快速、高分辨率、全景深的荧光成像提供了切实可行的途径，未来可扩展到更宽的色域、更厚的样品以及完整的三维重建。

引用: Atalay Appak, I.A., Singh, H.J., Korpela, S. et al. Multispectral extended depth-of-field fluorescence microscopy with co-designed meta-optics and neural reconstruction. Light Sci Appl 15, 242 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02337-y

关键词: 荧光显微镜, 扩展景深, 超表面光学元件, 计算成像, 多光谱成像