计算光学驱动的新一代显微革命：无标记光强衍射层析赋能活细胞与类器官三维成像

导读：锆石光电推出全球首套无标记活细胞显微成像系统SC3000，突破传统显微技术瓶颈，实现高分辨率、三维定量及长时程动态观测，推动生命科学研究向“原生态解析”迈进。

高端光学显微镜作为生命科学、材料科学、半导体检测、精密制造等领域的核心观测工具，突破了传统显微镜的分辨率与应用局限，以超分辨、高灵敏度、多维成像等优势，推动科研从“宏观表征”向“微观机制解析”跨越，从“静态观测”向“动态追踪”升级。

当前，全球高端光学显微镜市场正迎来技术迭代加速期，国产设备也奋起直追，在多个细分领域实现关键突破。为全面展现我国高端光学显微镜技术的发展态势、创新成果与产业潜力，仪器信息网将推出“高端光学显微镜技术进击潮”专题，并向相关企业、科研机构广泛约稿，本篇为锆石光电供稿。

高端光学显微技术正处于快速演进的关键阶段，其在生命科学、药物研发、材料工程和半导体检测等领域的应用价值愈发凸显。随着生命科学研究不断向细胞亚结构和动态生命过程深入，传统光学显微技术在分辨率、定量能力、成像深度和动态观测方面的局限逐渐显现。相衬与荧光标记显微虽然在过去几十年推动了细胞生物学的快速发展，但前者无法实现定量和三维结构解析，后者则往往会以光毒性、光漂白及化学干扰的形式，改变甚至终止细胞本身的生命活动。这种“观察即干预”的困局，构成了理解细胞动态生理过程的根本性「暗箱」。在此背景下，全球市场正经历从“荧光标记”向“无标记动态观测”、从“二维成像”向“三维定量”的深刻转型。

一、从理论创新到产业化的十年跨越

无标记显微观察领域的发展常依托于定量相位技术的迭代，但半个多世纪以来，定量相位测量仍基于干涉全息原理（1971年诺贝尔物理学奖）。受相干成像机理所限，普遍存在干涉系统复杂、环境扰动敏感、散斑噪声及相干衍射受限等固有缺陷，无法从根本上解决，成为制约无标记显微成像技术发展的关键瓶颈。

在此背景下，锆石光电（苏州）有限公司（以下简称“锆石光电”）联合南京理工大学在国家重点研发计划、基金委重大仪器专项、江苏省基础前沿引领专项等重大科研任务的支持下，在国际上率先开展计算光学显微成像研究：通过“光场调控”将物体的高维本质信息精确调制至光强信号中，再结合相关联的信号处理算法完成信息的“反演重建”，获得传统显微镜无法探测到的高维物体信息，如相位、形貌与三维折射率等（如图1）。

图1 基于光场调控的计算光学显微成像。将前端（物理域）光场调控与后端（数字域）信息重建有机结合，实现高维信息逆向重建，突破传统显微镜成像维度受限，成像模态单一、空间带宽积受限等固有限制

针对传统技术对激光干涉装置的依赖痛点，团队聚焦“部分相干光场下非干涉相位求解”核心科学问题，历经十余年攻关，在广义相位定义、光场调控机制、定量相位成像方法上取得原创性突破，彻底打破了半个多世纪来定量相位测量的相干光干涉机理束缚，形成 “非干涉定量相位成像” 创新理论体系。最终，成功研制出全球首套基于非干涉光强衍射层析（IDT）技术的无标记活细胞显微成像系统（SC3000）（如图 2），实现对活体样本长时间、高分辨率、三维定量的“原生态”观测，为破解生命观测「暗箱」提供了革命性工具。该产品凭借技术创新性与应用价值，在国内已斩获江苏省科学技术奖一等奖、中国光学工程学会技术发明奖一等奖、“金燧奖”中国光电仪器品牌榜金奖，两次入选 “中国光学十大社会影响力事件”，并获评“中国十大光学产业技术（未来奖）”，国际上获日内瓦国际发明展最高奖“特别嘉许金奖”，其技术先进性与行业影响力获得国内外专业领域广泛认可（图3）。

图2 无标记活细胞显微成像系统实物图

图3   仪器依托核心技术所获的科研奖项与荣誉

二、破解高端显微的工程化与场景化难题

1、无标记显微成像底层技术突破

该技术的核心是颠覆传统“标记成像”范式，以细胞自身物理特性为内源性成像探针 —— 细胞内蛋白质、脂类、核酸等组分的固有折射率差异，构成了天然的“结构指纹”（图4）。通过可编程 LED 阵列多角度照明扫描，采集光强图像后，经先进计算成像算法反演重建，即可获取细胞内部三维折射率精细分布图。这一过程不仅省去繁琐标记步骤、避免标记物对细胞功能的干扰，更能直接获取细胞干质量、胞内物质浓度等可量化的三维数据，实现了从“定性观察”到“定量分析”、从“干预式测量”到“原生态观测”的双重跨越，彻底解决了荧光标记带来的光毒性、光漂白及标记扰动等核心痛点。同时，系统采用模块化、全自动、一体化工业设计，在保障稳定性与可靠性的基础上，大幅提升了操作便捷性与实验效率。

图4 折射率为细胞自身物理性特征

2、IDT核心优势重塑成像标准

活细胞成像的核心要义是“无干扰”与“高精度”兼具，而传统技术难以两全：相差、DIC 等技术仅能提供低分辨定性图像；定量相位成像（QPI）与光学衍射层析（ODT）依赖干涉测量，易受环境振动和相干噪声影响，系统复杂且稳定性要求极高；荧光成像虽具特异性，但光毒性与标记干扰问题突出。

SC3000搭载的第四代无标记成像技术——IDT，通过摒弃“先相位测量，再衍射层析”的传统思路，直接建立光强与三维折射率的直接映射模型，实现了技术范式的根本性变革，其核心优势集中体现在四方面：一是非干涉测量设计，系统稳定性极强，不受环境振动影响，无需复杂光路校准；二是内源性对比机制，以细胞自身折射率为成像基础，无需外源标记，真正实现“零扰动”观测；三是超高分辨率三维定量能力，空间分辨率达 XY: 120nm@100X、Z: 360nm@100X，可精细解析亚细胞结构；四是强环境适应性，环形匹配照明优化了三维相位传递函数，对复杂样品具备优异的成像衬度与抗散射能力。

3、软硬件协同构建全场景应用支撑体系

系统构建了“光学硬件+智能软件”的100%全国产自主化支撑体系。内置主动与被动复合减震系统，通过高性能阻尼材料实时补偿微米级振动，确保普通实验台即可满足超分辨成像需求。照明系统中，可编程多角度环形 LED 阵列光源作为核心引擎，由上万颗微型LED芯片精密排布而成，为三维重构提供丰富光强信息。运动与控制系统搭载纳米级Z轴位移台与全自动XY扫描台，保证快速完成多层级三维层析数据采集与大样本全域扫描；科研级sCMOS相机则凭借低噪声、高帧率特性，兼顾微弱信号捕捉与高速动态观测需求。

智能软件平台进一步强化了系统实用性：可根据研究需求自动配置采集参数；多维实验管理支持时间序列、多位置、多通道的四维（4D）成像；GPU 加速的IDT三维重构引擎与荧光反卷积技术，大幅提升图像处理效率与精度；多模态图像融合与定量分析工具包，可实现结构可视化、形态学参数测量等一站式数据分析，构建从图像采集到生物学洞见的完整闭环（图5）。

图5   SC3000软件功能展示

三、打开生命科学研究的多元「暗箱」

系统凭借无标记、高分辨、长时程、三维定量的核心优势，已在生命科学与医学研究多个领域展现出独特价值，将为单细胞和亚细胞水平上观察活细胞内纳米尺度的细节打开新的窗口。

在活细胞超微结构研究方面，SC3000能够对线粒体、脂滴、内质网与细胞核等多种细胞器结构进行无损观测（图6），并可连续记录内质网重塑、线粒体-内质网接触等高度动态、实时演变的生命活动动态过程，为细胞器相互作用研究提供直接证据。

图6 无标记成像细胞全景图

在线粒体动力学与药物评估研究中，使用SC3000无需标记即可清晰捕捉线粒体融合与分裂事件，并直观呈现顺铂等药物诱导的线粒体碎片化、肿胀等早期毒性表型（图7a），以及保护药物干预后的形态修复全过程（图7b），从而实现对药物作用机制的直观、量化评价。

图7a   顺铂（CDDP）作用后，线粒体肿胀并碎片化

图7b   修复药物作用后，线粒体被修复，从碎片状变为长条状

在脂代谢与相分离研究中，SC3000可灵敏检测肝细胞内脂滴的累积变化，并对液-液相分离过程中蛋白液滴的形成、运动与融合进行长期、稳定、无光毒性的成像，其动态结果与荧光成像一致，且避免了荧光标记可能带来的干扰（图8）。

图8 人骨肉瘤U2OS细胞液-液相分离现象观测

SC3000同样适用于多种细胞行为的长期追踪，如细胞分裂、凋亡与迁移等。系统可完整捕捉细胞有丝分裂全程，包括染色质凝聚、染色体排列与分离、核膜重建等精细结构变化（图9）。基于精确的形态学分析，还能动态监测细胞凋亡与迁移过程。此外在免疫学研究中，SC3000可原位实时记录免疫细胞识别、接触并杀伤靶细胞的连续动态过程，为细胞功能学研究提供全景视角。

图9   Cos-7细胞有丝分裂过程

对于类器官等更接近体内复杂环境的三维模型，系统的三维成像能力尤为关键。面对厚样本，SC3000能清晰解析类器官内部不同区域细胞的脂滴、线粒体等结构细节（图10），并实现不同处理组间表型差异的定量比较，为复杂生理病理模型的高通量、定量化评估提供了可能。

图10   对人肝脏类器官的三维折射率层析成像体渲染图。

当前，高端光学显微镜市场格局稳定，但需求正发生结构性变化。锆石光电没有选择在传统共聚焦、超分辨显微镜的成熟赛道上进行跟随式竞争，而是精准切入“无标记活细胞动态三维定量成像”这一增长迅速的细分市场。随着类器官、细胞治疗、再生医学等领域的兴起，科研与工业界对“长时程、无损伤、三维量化”的观测需求正快速爆发，而现有技术方案存在明显短板。IDT技术路径恰好填补了这一空白。公司多轮融资中得到浙江省属国企与苏州地方金融资本的双重加持，也印证了产业资本对其技术路径与市场定位的认可。

未来，锆石光电的发展战略清晰聚焦于技术的持续深化与生态构建。一方面，推动IDT技术向更高分辨率、更大视场、更强鲁棒性演进，并探索与荧光超分辨等技术联用的可能性。另一方面，致力于将仪器从“成像终端”升级为“智能数据平台”，通过深化其操作软件的AI分析能力，构建从图像采集到生物学洞见的闭环。

开启生命观测的暗箱，需要的不仅是一束更亮的光，更需要一种不影响箱内生态的全新观察方式。无标记计算显微技术的崛起，正是提供了这样一种可能，锆石光电的实践证明，通过底层原理的创新，开辟新的技术路径，并紧密结合前沿科研与产业需求进行工程化打磨，能够构建起坚实的竞争壁垒，为中国高端科学仪器的发展带来突破性改变。