研究人员开创了一种三维单像素成像（3D-SPI）方法，可对微观物体进行高分辨率成像，为未来的生物医学研究和光学传感提供了一种变革性方法。中国科学院大学龚磊教授领导的研究团队及其合作者开发了一种基于三维光场照明（3D-LFI）的三维单像素成像（3D-SPI）方法，能够以接近衍射极限的三维光学分辨率对微观物体进行体积成像。
科学家们开发出一种基于三维光场照明的突破性三维单像素成像（3D-SPI）技术。这种方法能够对显微物体进行高分辨率成像。三维单像素成像方法有可能彻底改变各种生物吸收对比、细胞形态和生长的可视化，为生物医学研究和光学传感带来新的机遇。(显微成像艺术家概念图）。
他们通过对单个藻类细胞进行活体成像，进一步证明了该方法对无标记光学吸收对比的三维可视化能力。这项题为"通过三维光场照明进行光学单像素体积成像"的研究最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。
3D-SPI 技术示意图。图片来源：刘一帆摄
单像素成像的优势
单像素成像（SPI）已成为一种极具吸引力的三维成像方式。通过单像素探测器而不是传统的阵列传感器，SPI 在光谱范围、检测效率和时间响应方面的性能都超过了传统的传感器。此外，单细胞照相机在微弱强度、单光子水平和精确定时分辨率方面都优于传统成像方法。
挑战与突破
3D-SPI 技术通常依赖飞行时间（TOF）或立体视觉来提取深度信息。然而，现有技术最多只能达到毫米级，无法对细胞等微观物体进行成像。为了突破分辨率的限制，研究人员制作了一个 3D-LFI-SPM 原型。结果，原型机的成像体积达到约 390×390×3,800 μm3，分辨率横向高达 2.7 μm，轴向高达 37 μm。他们对活的血球藻细胞进行了无标记三维成像，并成功地在原位对活细胞进行了计数。
潜在应用
可以预见，这种方法可用于观察生物样本的各种吸收对比度。有了深度分辨成像能力，科学家们将来就有可能在原位监测细胞形态和生长情况。这项研究为生物医学研究和光学传感领域应用高性能三维 SPI 打开了大门。