近日，国际知名期刊《科学进展》报道了一项极具突破性的科研成果。中国科学院西安光学精密机械研究所姚保利教授携手瑞士洛桑联邦理工学院奥利维尔・J・F・马丁教授团队，经过不懈努力，成功研发出光镊切片显微术（OTSM）。

这一技术意义非凡，它打破传统局限，实现了悬浮活细胞的全光学 3D 成像。这不仅能够对活细胞进行动态观测，还能助力多细胞组装研究。可以说，光镊切片显微术为相关生物学应用提供了创新性工具，推动生物研究迈向新的高度。

研究背景

在生物学研究里，3D 成像技术是解析细胞结构与动态过程的核心工具。细胞是生命基本单位，其内部结构和动态变化藏着生命活动奥秘。3D 成像技术可从立体视角呈现细胞形态、内部组织分布及不同阶段动态演变，为科研人员探索细胞生理和病理机制提供关键支撑，助力生物学研究发展。

然而，传统光学方法在实际应用中暴露出明显的局限性，这主要源于其技术原理的固有缺陷。传统光学方法依赖粘附或机械固定来实现细胞操控与扫描。这种方式在操作过程中存在诸多问题，使得其在细胞研究中的应用受到极大限制。

一方面，传统方法对悬浮细胞的适用性极为有限。在生物体内，许多细胞是以悬浮状态存在的，它们在生理活动中发挥着重要作用。但传统方法难以对这些悬浮细胞进行有效的操控和扫描，导致科研人员无法全面、准确地观察它们的结构和动态变化。

另一方面，粘附或机械固定可能诱发细胞应激反应。当细胞受到外力的固定作用时，其内部的生理平衡会被打破，从而引发一系列应激反应。这些反应会干扰细胞的正常生理状态，导致观测结果出现偏差，无法真实反映细胞的自然情况。

因此，开发非接触式全光学3D成像技术，实现对活体悬浮细胞的原位观测，一直是推动生物学基础研究与应用发展的关键挑战。

技术创新

此次研发的光镊切片显微术（OTSM），其核心设计在于巧妙的技术整合。研究团队凭借卓越的科研智慧，将全息光镊（HOT）与结构光照明显微（SIM）进行有机结合。全息光镊具有强大的捕获能力，而结构光照明显微则在成像方面表现出色，二者的结合构建了一个兼具捕获与成像功能的集成系统。

该技术的基本思想有着清晰的逻辑和明确的步骤。首先，研究团队利用花瓣形光学陷阱来实现对多个悬浮活酵母细胞的精准捕获。花瓣形光学陷阱的独特设计，能够产生特定的光学力场，将悬浮的活酵母细胞稳稳地固定在特定位置，为后续的成像操作奠定了基础。

接着，采用轴向扫描方式完成全容积成像。在这个过程中，系统会在每个深度同步采集三张相位偏移图像。这种采集方式能够获取细胞在不同角度和位置的信息，为后续的高分辨率重建提供丰富的数据支持。

采集到图像后，再通过 OS - SIM 算法进行重建。该算法能够对采集到的图像进行精确处理，去除噪声和干扰，从而获得高分辨率切片。这些切片能够清晰地展示细胞的内部结构和细节。

最终，光镊切片显微术实现了无需样本固定的非接触式高保真 3D 重建。这意味着科研人员可以在不破坏细胞自然状态的情况下，对悬浮活细胞进行全面、准确的观察和分析。

试验验证

研究人员精心选取了 12 个悬浮活酵母细胞作为实验对象，通过系统精确操控，这些细胞被有序排列成六边形、五边形及环形结构。在这个过程中，系统展现出了极高的精准度和稳定性。同时，系统实现了高清晰度的 3D 成像，完整呈现了从细胞捕获到 3D 重建的全光学流程，为后续的研究提供了清晰、准确的数据。

OTSM 技术具有重大的创新性，它从根本上突破了传统生物成像对静态样本与机械扫描的依赖。传统生物成像方法往往需要对样本进行固定和机械扫描，这不仅限制了对活体悬浮细胞的研究，还可能影响细胞的生理状态。而 OTSM 技术则摆脱了这些束缚，实现了对活体悬浮细胞的动态观测。

姚保利教授指出，该技术推动了结构照明显微镜与光学操纵技术的融合。这种跨学科的融合为光学镊子与其他成像技术的进一步整合奠定了基础。不同技术的结合能够充分发挥各自的优势，为科研人员提供更强大的研究工具。

从应用前景来看，OTSM 技术有望满足各向同性分辨率、大视场及超分辨率成像的需求。在细胞研究中，这些需求对于深入了解细胞的结构和功能至关重要。OTSM 技术的出现，为解决这些问题提供了新的途径。

此项突破为活体悬浮细胞的动态研究提供了全新范式。它在细胞生物学、发育生物学及生物工程领域具有巨大的应用潜力。在细胞生物学中，可用于研究细胞的生长、分化等过程；在发育生物学中，有助于揭示胚胎发育的奥秘；在生物工程领域，可助力细胞工程和组织工程的发展。其未来的应用成果值得我们满怀期待。