近日，青海大学高原医学研究中心马英团队联合第四军医大学戴太强团队、陕西开放大学刘欣团队，在国际知名光学期刊《Optics Letters》发表原创研究成果High spatiotemporal resolution quantitative phase microscopy under unmatched illumination。该研究彻底打破传统衍射型定量相位显微成像严苛的照明物镜数值孔径匹配约束，开发出非匹配照明条件下高时空分辨率定量相位显微技术（HSR QPM UI），实现单曝光、非迭代、超高速无标记相位重建，为活细胞长时程、高通量亚细胞动态观测开辟全新技术路径。

图1. HSRQPMUI技术光路图(a)与算法简图(b)。

传统定量相位显微的固有困境：数值孔径匹配成为绕不开的枷锁

定量相位显微是透明生物样本无标记成像的核心技术，无需荧光染色，依靠样品自身光学相位差异实现细胞、细胞器可视化，对活细胞几乎无光毒性干扰。其中衍射型定量相位显微成像凭借成像质量好、系统稳定性强的优势被广泛应用，但这类技术长期受一个硬性条件限制：照明与物镜的数值孔径必须严格匹配。

一旦二者不匹配，成像就会丢失样品低频相位信息，无法还原样品真实样貌。由此带来诸多实际痛点：系统灵活性差，更换物镜操作繁琐；光路调试难度大，长时间成像稳定性不足；传统重建多采用迭代算法，计算耗时久，难以做到实时、高通量观测；尤其是高倍率油浸物镜，很难实现数值孔径匹配，极大制约了亚细胞器长时动态研究。

领域内已有混合算法、离焦成像等方案尝试缓解该问题，但大多会增加系统复杂度、牺牲成像速度；或是依旧依赖迭代运算，很难同时兼顾成像质量与实时重建能力。本团队此前提出的PCM FPM虽放宽了匹配条件，但仍需要迭代重建，无法满足高通量实时成像需求。

如何彻底摆脱数值孔径匹配的限制，同时兼顾高分辨率与超快重建速度，是该领域亟待解决的关键难题。

破局思路：对称非匹配照明+相衬调制，构建线性相位重建模型

研究团队另辟蹊径，基于对称非匹配照明硬件架构，利用空间光调制器仅对物光波的非散射分量施加0.5π相位调制，将原本丢失的低频相位信息直接编码到光强信号中，从物理层面彻底解决非匹配照明下低频相位缺失的难题。

在弱散射近似条件下，团队推导得到严格的线性前向成像模型与极简的相位传递函数。摒弃了耗时的迭代运算，采用频率自适应维纳去卷积完成相位恢复，实现非迭代相位重建。同时创新地提出共享相位调制策略，一次相机曝光即可完成数据采集，成像速度仅受相机曝光时间限制。针对实际光路存在的光学像差，通过空间光调制器做预校准补偿，显著提升系统实际成像稳定性。

生物样本实验验证显示，该技术可对活体细胞开展无标记高分辨成像。无需荧光标记，线粒体、伪足、脂滴、液泡、细胞核等亚细胞结构清晰可辨，能够捕捉细胞器细微形态变化。同时完成人体新鲜红细胞定量相位成像，可以清晰区分正常盘状红细胞与发生退变的球形红细胞，输出定量化相位轮廓，充分证明该技术在生物研究中的实用价值。

面向高原医学：为低氧细胞应激研究提供全新观测工具

这项无标记高通量定量相位成像技术，对青海大学深耕的高原医学研究具备重要应用价值。线粒体、脂滴是细胞感知低氧、调控能量代谢的核心细胞器。高原低氧环境会造成细胞器形态重塑、相互作用改变，这也是高原病发生发展重要的细胞机制。

传统荧光成像存在光漂白、光毒性，不适合长时间观察细胞在低氧、药物干预下的动态变化。HSR QPM UI 凭借无标记、低扰动、高速成像的优势，可以长时间持续追踪活细胞内细胞器动态变化，定量获取相位与形态参数，实现低氧应激下细胞损伤过程可视化、定量化。为解析高原病发病机制、筛选高原防护药物提供全新显微观测手段。

图2. 新鲜人体红细胞定量相位成像。

应用前景广阔，推动无标记高通量成像走向实用化

该研究实现非匹配照明条件下高时空分辨定量相位成像，既简化硬件系统，又获得毫秒级重建速度，可服务于活细胞长时程动态观测、高通量药物筛选、细胞病理机理研究等众多生命科学场景。

本研究是医工交叉协同创新的成果，本科生马云飞等深度参与本研究，体现青海大学对本科生科研创新的培养成效。未来团队将持续优化系统，推进技术落地，为生命科学、高原医学研究提供先进显微工具。

论文信息

· 论文标题：High spatiotemporal resolution quantitative phase microscopy under unmatched illumination

· 期刊：Optics Letters

· DOI：https://doi.org/10.1364/OL.610597