传统共聚焦激光扫描显微技术(Confocal laser scanning microscopy)因其出色的光学层切能力，已成为生物成像领域不可或缺的工具。然而，由于采用逐点扫描的成像方式，其时间分辨率较低，在研究三维动态生物过程时存在较大挑战。随机存取显微技术(Random-access microscopy)通过引入声光偏转器或数字微镜等器件，实现对感兴趣区域的快速、可控照明，从而有效提升时间分辨率。

近日，深圳湾实验室联合上海交通大学等多家科研机构，成功开发了一种新型三维快速随机访问共聚焦显微镜系——3D-DyFI (Three-Dimensional Dynamical Focusing Imaging)。该系统通过创新的远程动态聚焦技术，为实现高效三维成像提供了一种更为简单、经济且快速的解决方案。该项研究成果已发表于Communications Engineering期刊。

技术创新

3D-DyFI系统采用了远程动态聚焦(Dynamical remote focusing)技术，通过两个正交的一维振镜实现XY平面的扫描，两个相向安置的平凸透镜和一个安装在线性驱动器上的平凹透镜构成轴向焦点位置调节模块，经过测量可得，在±0 μm (XY)和±6 μm (Z)的范围内，输入电压与焦点位移保持良好的线性性。而视场不大于20 μm的范围内，系统的空间分辨率性能能保持良好的一致性。

相比传统的压电扫描平台，3D-DyFI系统采用远程动态聚焦技术，通过调整光学元件的位置快速改变焦点位置，彻底避免了物理移动导致的不利影响，显著提升了系统的可靠性。在z轴方向上，该系统的响应时间约为0.65毫秒，相比于传统压电平台的22.3毫秒，提升了34倍。此外，该系统还支持多色成像，突破了基于声光偏转器的系统在多波长应用中的局限性。

而3D-DyFI系统与基于声光偏转器的系统相比，对波长不敏感，能够实现多色成像，这在研究复杂生物样本的多通道成像时尤为重要。且更为便宜易用，适合实验室中广泛普及。与基于空间光调制器或数字微镜设备的系统相比，不存在自由度数量的限制，可实现更为灵活的控制。

应用场景

在本研究中，团队展示了3D-DyFI系统对荧光微球和活细胞的三维成像能力，包括实时监测细胞膜、线粒体等亚细胞结构的动态变化。下图展示了3D-DyFI 监测了三个不同位置处荧光珠的信号，当照明时间增加到 5 毫秒时，可以观察到明显的阶梯状强度曲线，而压电平台的响应速度较慢，其位置，明显滞后于输入信号。

3D-DyFI系统的出现，有望推动三维随机访问显微技术的广泛应用，特别是在神经科学、细胞生物学和药物研发等领域。研究人员表示，该系统未来还可以与多光子显微镜和深度学习算法相结合，进一步提升成像深度和数据处理能力，从而更全面地揭示生命科学领域的未知奥秘。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s44172-024-00320-2