上海
在生物樣本的三維觀測中，傳統顯微技術難以兼顧分辨率、速度、視野和樣本活性。而單物鏡光片顯微鏡的誕生，以其創新的光路設計，完美平衡了這四大關鍵需求，在神經科學、細胞生物學、類器官、腫瘤與免疫等領域展現出獨特優勢：既能捕捉亞細胞精細結構，又能觀測器官發育全過程，讓我們一起了解這項技術如何在不同觀測尺度下助力生命科學研究。
1. 捕捉［細胞器］的動態變化
細胞內的線粒體、內質網、高爾基體等結構不僅分布復雜，還時刻處于高速動態變化中。 細胞器的成像 面臨 三 大挑戰 ， 單物鏡光片顯微鏡通過光學切片技術 應對 ：
挑戰
成像缺陷
解決方案 薄層光片+單物鏡
時空分辨率要求高
運動模糊，難以解析精細結構和毫秒級動態
面陣曝光提升速度；超薄光片+高 NA 油鏡提升分辨率
光毒性
細胞損傷、皺縮，生理狀態失真
薄層激發減少光暴露，支持長時間活體成像
三維成像能力差
離焦模糊，立體結構信息缺失
光片層切技術+3D 重建實現高精度各向同性分辨率
☆應用案例：利用該技術對細胞中線粒體外膜進行高分辨率的三維成像，為線粒體動力學的理解提供了直接視覺證據。
? 視頻：線粒體外膜三維成像，使用 SmartView 100 × /N.A. 1.5 的油鏡拍攝。
該技術為細胞生物學研究提供了“無損窺探”工具，尤其適用于：
細胞器互作（如線粒體-內質網互作）；
疾病模型研究（如代謝異常、神經退行性疾病、單分子成像）等。
2. 開啟［活細胞］研究新紀元
現代生命科學研究迫切需要能在數天時間內無損觀測 活 細胞動態的技術，但傳統熒光顯微鏡仍舊存在 以下 挑戰 ， 單物鏡光片 都一一應對 ：
挑戰
致命缺陷
解決方案優化光片顯微鏡
光毒性
細胞光損傷，無法維持數天觀測
超薄光片激發；低功率激光兼容長時程成像
細胞處于懸浮狀態
離焦模糊，導致三維結構失真
一次掃描，三維可得，動態補償懸浮樣本漂移，穩定成像
時空分辨率不足
高速動態變化記錄缺失，無法精準動態追蹤
超薄光片+面陣掃描+高 NA 物鏡（高穿透深度+折射率匹配），各向同性分辨率結合 3D 重建
借助單物鏡光片顯微鏡技術，可實現了長達 數小時甚至數天 的細胞群體追蹤，同時保持細胞分裂、遷移等行為的自然狀態。 例如在腫瘤與免疫研究中，光片顯微鏡可以實現免疫細胞動態遷移、細胞因子釋放及腫瘤細胞逃逸的實時三 維成像。
☆應用案例：單物鏡光片顯微鏡能在細胞芯片中，
2024年華中科技大學光學與電子信息學院 費鵬 教授與該校同濟醫學院附屬同濟醫院血液內科 張義成 教授、 陳麗婷 副研究員等帶領的交叉學科團隊，在
Nature Communications上發表了題為 《 3D live imaging and phenotyping of CAR-T cell mediated-cytotoxicity using high-throughput Bessel oblique plane microscopy”》 的研究論文 [1] ，論文提出了一種高通量貝塞爾單物鏡光片顯微鏡（HBOPM）平臺，該平臺能夠智能3D實時成像和評估CAR-T細胞對腫瘤細胞的殺傷行為，以各向同性的亞細胞分辨率，對芯片上數百對相互作用的T細胞/腫瘤細胞進行數小時的長時程觀察，并對獲取的TB級多通道、3D動態圖像數據集進行定量分析。
? 視頻：CAR-T 細胞（綠色）對腫瘤細胞（紅色）的殺傷行為
微流控芯片-倒置， 60×1.3NA 硅油物鏡 拍攝
3. 解鎖［類器官］的完整三維結構
類器官作為組織再生與疾病建模的新興平臺，具有結構復雜、尺寸較大、三維立體的特點，以下是主流成像技術在檢測類器官時存在的挑戰，以及單物鏡光片顯微鏡的應對策略 ：
挑戰
關鍵問題
解決方案 單物鏡光片顯微鏡
分辨率與成像深度
厚樣本（毫米級）導致3D 結構模糊或信息丟失
大視野深度成像：直接穿透毫米級類器官，亞細胞分辨率接近各向同性
光毒性
長時程觀測導致類器官活性下降或死亡
低光毒設計：薄層激發+活細胞工作站，支持數天連續觀測
高通量成像
共聚焦點掃描成像方式速度慢，無法滿足類器官芯片高通量篩選需求
高通量：面陣掃描成像，兼容培養皿/器官芯片
靈敏度
檢測靈敏度不足，內源性信號遺漏
高靈敏度：超高光子利用率
☆應用案例：腸道類器官的深層三維成像。
? 視頻：腸道類器官 150μm/未透明化， SmartView 30× NA1.05 SIL 物鏡拍攝
樣本來源：清華大學陳曄光老師團隊
4.實現［全器官］的高分辨快速成像
在器官發育、病理機制等研究中，以下是使用主流技術進行全器官成像時存在的挑戰，以及單物鏡光片的應對策略：
挑戰
關鍵問題
突破性解決方案 單物鏡光片顯微鏡
難以兼顧大尺寸和分辨率
器官包含多種細胞類型，需亞細胞級分辨率
多尺度兼容設計：μm 級亞細胞至 cm 級器官成像
成像深度與清晰度矛盾
毫米級組織導致信號衰減，深層圖像質量下降
深層高質量成像：光片技術減少散射，保持高穿透高圖像質量
成像速度慢
全器官掃描耗時，時間成本過高
全器官快速掃描：高速三維成像（分鐘級完成）
☆應用案例：可在單細胞分辨率下快速完成完整鼠腦成像，無需物理切片，深度更深，速度更快。
? 視頻：小鼠大腦多色三維成像
樣本來源：華科朱?老師團隊； 慧觀光片顯微鏡 4× 拍攝
5.突破［模式動物］成像的時空極限
大多數顯微成像方案在FOV和軸向分辨率之間進行權衡，這使得在介觀尺度上以 3D 細胞分辨率觀察 模式動物的 高度動態過程具有挑戰性 ， 而單物鏡光片顯微鏡通過創新設計，解決了這些矛盾：
挑戰
局限問題
單物鏡光片顯微鏡的突破
大視場體積成像
大視場下光片厚度不均一導致軸向分辨率不均一
光學設計：
通過多重調制產生薄且均一的無衍射光片
時間分辨率
模式動物自由移動及難以捕捉毫秒級鈣信號
面陣探測：
實現體積成像速度最大化
毫秒級時間分辨率
空間分辨率
軸向分辨率不足，難以精準解析空間結構
超薄光片+高NA物鏡：同步維持亞細胞級空間分辨率
光毒性
高功率激發損傷樣本，難以長時程活體成像
薄層動態照明：
僅激發觀測層面
光毒性顯著降低
☆應用案例1：斑馬魚整體運動神經元與肌肉成像[2]
華中科技大學費鵬教授團隊為了在大視場（FOV）上快速獲取大量細胞信息，開發了能夠在細胞分辨率下對中尺度標本進行高通量體積成像的光片顯微鏡，研究者展示了雙色轉基因斑馬魚胚胎（受精后 3 天） 分別在運動神經元（Islet1-GFP）和體節快?。╩lcr-DsRed）處標記有綠色和紅色熒光蛋白。此外，這項工作對受精后 48 至 72 小時（hpf） 的麻醉活魚胚胎進行了時程研究，以研究后腦區域的神經元/肌肉發育。
? 圖：（b1）麻醉活斑馬魚胚胎 （3 dpf） 的雙色 SVR 重建（b2） 魚體節切片 SVR 重建中的放大體積渲染。比例尺：100??μm 對于整個胚胎圖像（放大視圖：20??μm)。
單物鏡光片顯微鏡已成為完整模式生物長時程高分辨成像的 利器 ，在對 光敏感的動態過程和 低 光毒性干擾 要求嚴格的領域獲得廣泛認可。
☆應用案例2：斑馬魚整體神經活動動態記錄。
約翰霍普金斯大學的研究團隊 為了克服大視場下分辨率的限制，開發了帶有衍射光片的介觀斜平面顯微鏡（Meso-OPM）。實現 5.4 mm × 3.3 mm 超大視場，分辨率達 2.5 μm × 3 μm × 6 μm，單次掃描即可完成 3D 細胞成像。 [3]
團隊利用 Meso-OPM，以 2 Hz 的 體積 速率持續 85 秒捕獲了 整個 斑馬魚神經系統的自發 鈣信號 ，同時以 5 Hz 記錄了全身血流動力學， 具有 3D 細胞分辨率。 實驗不僅清晰呈現了 60 個神經元在不同深度的動態熒光軌跡，還證明了該技術在介觀尺度下對高度動態過程的捕捉能力。
? 圖：斑馬魚幼蟲全身神經元活動記錄，具有 3D 細胞分辨率[3]
小結：“大視場+高分辨率+低損傷”的完美平衡
單物鏡設計優化了實驗流程——僅需一個物鏡即可完成激發與檢測，減少樣本制備的復雜度。這種兼顧速度、大視場、分辨率和樣本活性的成像方案，為研究 活細胞動態、 大規模神經環路、胚胎發育的 3D 活體成像等 科研需求 提供了全新的解決方案。
更好用的全場景智能單物鏡光片
SmartView
慧觀推出的SmartView全場景智能顯微系統采用 單物鏡 光路設計，使用多重調制超薄400 nm無衍射照明光片（DR-SPIM）[4] ， 兼具共聚焦的操作習慣和光片的成像優勢 ，顛覆了傳統光片顯微鏡的使用局限。
一方面 ，可以具有開放式的樣本操作空間，使其不再需要特制樣本載具，適用于共聚焦培養皿、多孔板、類器官芯片、載玻片等標準載具； 另一方面 ，可以實現物鏡倍率的靈活切換（4 ×-100 ×），可適配油鏡。從亞細胞結構到活細胞，從類器官到全器官，SmartView能滿足不同應用場景的需求。
結合光片顯微鏡光毒性低的特點，可實現對活細胞的精細動態和相互作用進行快速、三維、長時程地觀測。使得光片顯微鏡的優勢能夠最大的發揮出來。
參考文獻：
1. Wang, Z., Wang, J., Zhao, Y. et al. 3D live imaging and phenotyping of CAR-T cell mediated-cytotoxicity using high-throughput Bessel oblique plane microscopy.
Nat Commun15, 6677 (2024).
2. Peng Fei, Jun Nie, Juhyun Lee, et al. "Subvoxel light-sheet microscopy for high-resolution high-throughput volumetric imaging of large biomedical specimens,"
Adv. Photon. 1, 016002 (2019)
3. Shao W, Chang M, Emmerich K, et al. Mesoscopic oblique plane microscopy with a diffractive light-sheet for large-scale 4D cellular resolution imaging.
Optica. 2022 Dec 20;9(12):1374-1385.
4. Zhao Y, Zhang M, Zhang W, et al. Isotropic super-resolution light-sheet microscopy of dynamic intracellular structures at subsecond timescales.
Nat Methods. 2022 Mar;19(3):359-369.
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