计算光学引领显微新纪元：无标记光强衍射层析重构活细胞与类器官三维成像范式
作为生命科学、材料科学、半导体检测与精密制造领域的核心观测设备，高端光学显微镜正不断突破传统成像手段的分辨率与功能边界。凭借超分辨、高灵敏度、多维成像等优势，显微技术推动着科研从宏观表征向微观机制解析的跃迁，从静态观测向动态追踪的演进。
近年来，全球高端光学显微镜市场进入技术快速更迭期，国产设备也在多个关键领域实现了技术突破。为全面展现我国在该领域的发展动态与创新成果，仪器信息网推出了专题“高端光学显微镜技术进击潮”，并邀请相关企业和研究机构参与内容创作。本文由锆石光电供稿。
随着生命科学研究向细胞亚结构和动态过程的深入，传统光学显微技术在分辨率、定量能力、成像深度与动态观测方面逐渐显现局限。尽管相衬与荧光标记显微曾推动细胞生物学的快速进步，但前者难以实现定量与三维解析，后者则因光毒性、光漂白及化学干扰等问题，干扰甚至中断细胞的自然行为。这种“观察即干预”的困境，成为理解细胞动态机制的一大障碍。
为应对这一挑战，全球显微成像正在经历深刻变革：从荧光标记转向无标记动态观测，从二维成像向三维定量分析演进。
一、理论创新与技术落地的十年跨越
无标记显微技术的发展长期依赖于定量相位测量的进步，而该领域自20世纪70年代起多依赖干涉全息原理。受限于相干成像机制，传统方法普遍面临系统复杂、环境敏感、散斑噪声等问题，难以从根本上突破。
锆石光电（苏州）有限公司联合南京理工大学，依托国家重大科研专项的支持，在国际上率先开展计算光学显微成像研究。该技术通过“光场调控”手段，将目标的高维信息精准调制至光强信号中，结合先进的数字算法实现信息反演，从而获得传统显微镜无法获取的三维相位、形貌与折射率等关键参数。
针对传统方法对干涉装置的依赖，团队聚焦于“部分相干光场下非干涉相位求解”这一核心科学问题，经过十余年攻关，在广义相位定义、光场调控机制和定量相位成像方法上实现多项原创突破，最终构建了“非干涉定量相位成像”理论体系，并成功研制全球首套基于光强衍射层析（IDT）的无标记活细胞显微成像系统SC3000。
该系统打破了传统干涉成像的限制，实现了对活体样本的长期、高分辨率、三维定量观测，为破解生命科学中的“暗箱”难题提供了革命性工具。
二、破解高端显微的工程化与场景化难题
1. 无标记显微成像的技术核心突破
该技术的核心在于以细胞自身的物理特性为成像探针。细胞内部的蛋白质、脂类、核酸等成分的折射率差异构成天然的“结构指纹”。通过可编程LED阵列实现多角度照明与扫描，系统采集光强图像后，利用先进算法反演出细胞内部的三维折射率分布。
这一过程不仅省去了繁琐的标记步骤，避免了外源探针对细胞功能的干扰，还可获取如细胞干质量、胞内物质浓度等三维定量数据，真正实现了从定性观察向定量分析的跨越。
2. IDT技术重塑成像标准
传统活细胞成像面临“无干扰”与“高精度”难以兼顾的困境。相差成像与DIC仅能提供低分辨率图像；定量相位成像（QPI）与光学衍射层析（ODT）虽具定量潜力，但依赖干涉装置，系统复杂且易受环境影响；而荧光成像则存在光毒性与标记干扰的问题。
锆石光电的SC3000搭载的第四代无标记显微技术——光强衍射层析（IDT），摒弃了“先测相位、再作层析”的传统路径，直接建立光强与三维折射率之间的映射模型，实现了技术范式的革新。
其优势主要体现在四个方面：一是采用非干涉测量设计，系统稳定性强，不受环境振动影响；二是以细胞自身折射率为对比基础，实现“零扰动”观测；三是具备XY: 120nm、Z: 360nm的高分辨率，能够精细解析亚细胞结构；四是具有良好的抗散射能力，适用于复杂样本。
3. 软硬件协同构建全场景应用平台
SC3000系统融合了光学硬件与智能软件，构建了100%国产化自主可控的成像平台。系统内置主动与被动复合减震装置，采用高性能阻尼材料实时补偿振动，使得常规实验台即可满足高分辨率成像需求。
照明系统采用可编程多角度LED阵列，由上万颗微型芯片组成，为三维重构提供丰富的光强数据。Z轴纳米级位移台与全自动XY扫描台确保高效完成多层级数据采集。搭配低噪声、高帧率的科研级sCMOS相机，系统可兼顾信号捕捉与动态观测。
智能软件平台支持四维（4D）成像管理、GPU加速的三维重构引擎及多模态图像融合与分析工具，实现了从图像采集到生物洞察的全流程闭环。
三、打开生命科学的多元“黑箱”
SC3000凭借无标记、高分辨、长时程、三维定量的优势，已在多个生命科学领域展现出独特价值，为研究细胞器动态、药物响应、代谢调控等提供了全新窗口。
- 在细胞器动态研究中，系统可对线粒体、内质网、细胞核等结构进行无损观测，并连续记录其重塑与接触过程。
- 在线粒体动力学研究中，系统可清晰捕捉融合与分裂事件，直观呈现药物诱导的毒性表型及修复过程。
- 在脂代谢研究中，SC3000能够检测肝细胞脂滴累积变化，并长期追踪液-液相分离过程。
- 在细胞行为追踪中，系统可完整记录细胞分裂、凋亡与迁移过程，为细胞功能研究提供全景数据。
- 在类器官研究中，系统的三维成像能力可解析复杂模型内部结构，支持高通量表型比较。
锆石光电未选择在传统显微领域展开竞争，而是精准切入“无标记活细胞三维定量成像”这一新兴赛道。随着类器官、细胞治疗等领域的快速发展，科研与工业界对“无损伤、长时程、定量成像”的需求正快速增长，而SC3000的IDT技术恰好填补了这一空白。
未来，公司将继续深化IDT技术，推动其向更高分辨率、更大视场、更强鲁棒性演进，并探索与荧光超分辨技术的融合应用。同时，系统将从“成像终端”向“智能数据平台”转型，通过AI算法构建从图像采集到生物学洞见的完整闭环。
真正破解生命观测的“黑箱”，不仅需要更清晰的成像，更需要一种不干扰被观察对象的观察方式。无标记计算显微技术的兴起，正是这一理念的实现路径。锆石光电的实践表明，通过底层技术创新与工程化打磨，能够为中国高端科学仪器的发展开辟新路径，带来结构性突破。