在生物医学研究领域，对细胞和组织的机械特性进行精确测量对于理解其功能和行为至关重要。传统的测量方法往往存在接触式测量、表面限制或分辨率低等局限性。近年来，布里渊显微镜作为一种新兴的光学弹性成像技术，能够以非接触、无标记的方式对生物样品的黏弹性特性进行三维成像。然而，由于自发布里渊散射的截面较低，导致信号微弱，传统的布里渊显微镜成像速度较慢，限制了其广泛应用。近期，一项发表于《Nature Photonics》的研究成果——基于傅里叶变换光谱仪的全视场布里渊显微镜（FTBM）技术应运而生，为解决这一难题提供了创新解决方案。

研究背景与技术挑战
生物力学成像的重要性
细胞和组织的力学特性与其功能密切相关。例如，细胞弹性的变化与癌症、纤维化等疾病的发生发展密切相关；组织粘性的异常可能导致心血管疾病等。因此，精确测量生物样本的力学特性对于疾病诊断、药物研发等具有重要意义。

传统布里渊显微镜的局限性
布里渊显微镜通过检测光与样本中热诱导密度涨落相互作用产生的布里渊散射信号来获取样本的力学信息。然而，自发布里渊散射截面非常小，导致散射概率极低（约10^-12），这使得传统布里渊显微镜需要长时间的信号积分，成像速度极慢。例如，获取一幅50-250像素的二维图像通常需要数分钟到数小时。此外，传统方法在数据采集效率、光谱分辨率和三维成像能力等方面也存在显著不足，难以满足生物医学研究对快速、高分辨率成像的需求。

技术创新与应用
傅里叶变换成像光谱仪的应用
FTBM的核心创新在于采用了定制的傅里叶变换成像光谱仪。传统傅里叶变换光谱仪通过测量干涉仪输出光强随光程差的变化，再经过傅里叶变换得到光谱信息。然而，对于布里渊成像所需的亚吉赫兹（sub-GHz）高光谱分辨率，传统方法需要采集大量数据点（约10^6个），导致成像时间过长。FTBM通过巧妙利用布里渊光谱的对称性，仅需采集少量数据点（约100个）即可重建光谱，将数据采集量大幅减少超过10,000倍，从而显著提高了成像速度。

原子气室过滤技术
为了抑制强瑞利散射背景对布里渊信号的干扰，FTBM引入了原子气室（如87Rb蒸汽室）。该气室能够有效吸收弹性散射光，同时不影响布里渊信号，从而提高了信号的信噪比，使得在生物样本中的实际应用成为可能。

应用领域
FTBM的这些创新技术使其在生物医学领域具有广泛的应用前景。例如，在癌症研究中，它可以用于实时监测肿瘤细胞弹性的变化，帮助早期诊断和治疗评估；在发育生物学中，能够动态观察胚胎发育过程中组织力学特性的演变；在材料科学中，可用于表征生物材料的力学性能，为组织工程提供关键数据。

成像实验与结果分析
实验验证
研究团队通过一系列实验验证了FTBM的性能。在对由油珠嵌入琼脂制成的异质phantom成像中，FTBM成功获取了高分辨率的三维布里渊图像，清晰显示了样本的力学异质性。例如，在油珠与琼脂的界面处，FTBM能够精确分辨出两者的布里渊频移和线宽差异，空间分辨率达到约1.2μm。

在对活体斑马鱼幼体的成像实验中，FTBM在245×240×151μm³的视场内，以56mW的总照明功率，成功获取了脊索周围区域的高信噪比布里渊频移图像。实验结果清晰显示了脊索的解剖结构，如空泡细胞和中央管等，验证了FTBM在活体生物样本成像中的可行性。

性能优势
成像速度：FTBM的吞吐量达到每秒40,000个光谱，相比传统共聚焦方法提升了约三个数量级，能够实现快速三维成像。

光谱精度：实验测得布里渊频移的精度约为70MHz，线宽精度约为120MHz，满足生物医学研究对光谱分辨率的要求。

光毒性：FTBM所需的照明能量仅为每像素11μJ，远低于共聚焦布里渊显微镜（约0.5-5mJ/像素），显著降低了光毒性，适用于光敏生物样本的长期观察。

空间分辨率：通过优化光学设计和数据处理，FTBM实现了与传统方法相当的空间分辨率，能够清晰分辨微米级结构。

总结与展望
FTBM技术作为一项创新的布里渊显微镜技术，为生物医学成像领域带来了新的突破。其高速、高分辨率和非接触式的成像特点，使得对生物样品的机械特性进行快速、精确的测量成为可能。未来，随着技术的进一步优化和应用范围的拓展，FTBM有望在细胞力学、组织工程、疾病诊断等领域发挥更为重要的作用，为揭示生物系统的力学奥秘提供更为强大的工具。

DOI:org/10.1038/s41566-025-01619-y.