华中科技大学袁菁、骆清铭团队推出数字阵列调制显微成像技术，实现三维超分辨成像突破
华中科技大学袁菁教授联合海南大学骆清铭院士团队，研发出一种新型显微技术——数字阵列调制显微镜（DaMo）。该技术成功实现了横向分辨率100纳米、轴向分辨率300纳米的高质量三维超分辨成像，图像保真度达99±1%，重建速度提升100倍，信背比提高三个数量级。相关成果于3月26日发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）。
研究团队由武汉光电国家研究中心的李思洁博士生与金锐博士并列担任第一作者，袁菁教授与骆清铭院士担任通讯作者。其他合作者包括鲁梦琦硕士、张朦博士、魏云飞博士、张湛博士生、郭诗睿博士生、张玉慧教授、龚辉教授，以及陆军军医大学的张宁博士与王锋超教授。
超分辨显微技术的演进与挑战
自光学显微镜问世以来，其在生命科学研究中发挥了关键作用。然而，衍射极限一直是限制科学家探索纳米尺度结构的瓶颈。超分辨结构光照明显微镜（SR-SIM）的出现打破了这一限制，因其良好的标记兼容性，成为解析细胞器动态变化的重要工具。其原理基于结构化照明对荧光信号进行调制，通过莫尔条纹效应将原本无法探测的高频信息迁移至可测范围，最终借助维纳重建算法还原出分辨率更高的图像。
尽管SR-SIM自2000年诞生以来取得显著进展，但图像伪影和低保真度问题长期困扰研究者。主要挑战源于传统宽场成像难以应对非理想生物样本中的强背景噪声与离焦干扰。这些干扰在频域重建时被放大，导致图像失真，影响分辨率和真实性。虽然现有方法通过复杂的后处理部分缓解了问题，但本质上无法根除伪影来源，反而增加了计算负担，限制了技术的广泛应用。
离轴成像框架与DaMo的核心突破
为解决上述问题，研究团队基于前期成果构建了一种全新的离轴成像框架。与传统共轴照明探测方式不同，该框架采用分离的照明与探测路径。通过聚焦光斑实现天然的照明调制，结合高精度阵列探测器记录空间分布信息，使每个像素点都能与特定照明区域形成共轭映射，从而实现像素级的空间编码。
在扫描过程中，样本依次通过各个照明子区域，使得单次扫描即可获取时间复用与空间编码的数据集，为新型成像方法的开发提供了灵活支持。DaMo正是这一框架下的代表性成果。
DaMo的技术创新与性能提升
- 调制对比度提升至100%：传统SR-SIM因零差探测方式，调制对比度上限仅为50%，且易受噪声干扰。DaMo利用高斯线照明与阵列探测器的数字调制，实现无物理器件的100%高频调制外差探测。此设计有效抑制离焦背景，从源头消除了图像伪影。
- 重建算法极大简化：DaMo提出基于厄米特对称性的单频谱重建算法，将原本复杂的重建流程简化为线性计算，仅使用高频成分参与重建，显著提升了图像保真度与计算效率。重建速度较传统方法提高两个数量级，图像保真度达99±1%，无需图像增强处理。
凭借上述创新，DaMo仅通过横向调制即实现了横向与轴向的衍射极限突破，为复杂生物样本的三维成像提供了无伪影、高质量、高通量的新路径。
DaMo的生物学应用与潜力
研究团队通过多组实验验证了DaMo在生物学中的广泛应用前景。
- 活细胞肌动蛋白动态监测：传统方法难以区分肌动蛋白信号与噪声，而DaMo凭借高图像质量成功实现了U2OS活细胞中肌动蛋白的时序成像，首次观察到丝状伪足的延伸与融合过程，展示了其在解析细胞动态机制中的价值。
- 高内涵细胞周期分析：传统研究依赖于单细胞长时程观测，面临采样广度、稳定性及成本等限制。DaMo通过非同步化细胞的全涂片快照成像，快速获取大量具有统计意义的形态数据。仅用20分钟即完成万余个细胞的三色超分辨成像与重建，清晰呈现了从纺锤体形成到细胞分裂的全过程。
- 组织切片跨尺度成像：面对组织样本的高背景噪声与异质性，DaMo展现出卓越性能。研究团队对10毫米见方的小鼠小肠冰冻切片进行了三通道超分辨成像，实现1.92 TB数据的采集与在线重建。同时，定量分析了炎症模型下不同肠段线粒体的病变情况，展现了其在组织水平跨尺度成像中的独特优势。
DaMo的技术意义与应用展望
DaMo不仅在技术参数上实现重大突破，更在应用层面展现了广阔前景。作为软硬件协同优化的代表，它无需复杂调制装置或图像后处理，构建了一条纯净的成像路径，贯通了从亚细胞器到组织结构的跨尺度观测。
无论面对活细胞、全细胞涂片还是完整组织切片，DaMo均表现出色，为生物医学基础研究与临床诊断提供了全新工具。该技术有望在高内涵成像分析中发挥更大作用，推动生命科学与医学研究向更高精度、更高通量迈进。