以下文章经许可转载自 The Conversation，这是一个涵盖最新研究的在线出版物。
光片荧光显微镜是一种令人兴奋的新型成像方法，它利用薄片光来制作大型生物样本的图像，例如果蝇和鱼胚胎、小鼠，甚至人体组织碎片。它的使用有望为患者带来侵入性更小、更有效的诊断。
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在 圣安德鲁斯大学，我们最近利用了整形激光束的 необычные 属性，以获得标本内部更清晰的图像——使用弯曲并绕过角落的波束，并且随着它们的传播而变得更亮而不是更暗。
相比之下，如果您将手指短暂地放在传统激光笔前，您会注意到您的手指会发光，因为光束会向各个方向散射光线，只有少量光线（如果有的话）会穿透。
自 350 多年前发展以来，显微镜技术发展迅速，但对大型三维 (3D) 样品进行成像仍然具有挑战性。这意味着生物样品往往是在薄玻璃载玻片上生长的单细胞层，这不是一个非常现实的情况。
人是 3D 生物，疾病研究需要考虑到这一点。如果一个人因一种疾病而服药，如果它不会引起另一种疾病就好了。正是出于这个原因，许多生物医学研究正在转向 3D 模型，以更准确地研究阿尔茨海默病和帕金森病等疾病。
然而，光片荧光显微镜 是一种特别适合快速成像大体积且不会造成任何损伤的技术。这种显微镜形式的几何结构最初是在 20 世纪初开发的，旨在帮助研究 纳米粒子。
理查德·齐格蒙迪因部分开发了这项技术而荣获 1925 年诺贝尔化学奖——但后来它不再被使用。直到 激光照明 和 天然荧光生物标志物 的出现，光片显微镜才在过去二十年中在 生物医学成像 领域复兴。
翻页器
当对大型样品进行成像时，图像中缺乏对比度可能会成为一个重要的障碍。这相当于试图在黑暗中阅读一本透明页面的书。
如果您用手电筒照亮这本书，页面上的文字将可见，但您也会看到您正在阅读的页面前面和后面的文字——这使得极难分辨哪个词来自哪个页面。同样的问题也适用于尝试使用荧光显微镜观察大型样品内部。
当以光片方式阅读时，只需将手电筒放在书的侧面并分别照亮每一页，这本书就再次变得可读。
在光片显微镜中，一薄片光线被发送到样品的侧面，横向切过您想要观察的部分。这样，荧光仍然在感兴趣的平面中产生，但在其他任何地方都不会产生，最终结果是清晰明了的图像。通过使光片更薄，更小的物体变得可见。
真正的挑战是制造一个超薄的光片，它可以横向切过整个样品。尽管采用了创新的成像方法，但光片仍然受光学规则的约束。标准激光束（称为 高斯光束）受到发散的限制。
如果您将高斯光束聚焦到一个点，它将在之后发散和扩展。如果您将其聚焦得更紧，它将更快地扩展。这限制了超薄光片的长度，因此它不能用于对大型物体进行成像。
该视频显示了标准聚焦高斯激光束（左）和特殊的整形光束，这些光束可以抑制发散并且在穿过焦点时不会扩展——特别是贝塞尔光束（中）和艾里光束（右）。
研究人员在 2010 年开始探索使用具有 необычные 属性的 奇异光束 来创建光片。这些光束可以抑制发散，并且在传播时不会改变其形状或大小，因此可以比标准高斯光束在更大的距离上保持薄，从而提供具有高分辨率和大成像区域的显微镜。
奇异光束获胜
贝塞尔光束 和 艾里光束 被称为为 显微镜带来“三重胜利”，是弯曲规则的最值得注意的奇异光束。
这些奇异光束不仅能够在较大的成像区域上实现更高的分辨率，而且还可以分散它们的能量，从而保护样品免受强激光照射损伤。它们还 抵抗散射，因此不会变形，从而产生高质量的光片和图像。
最近，我们进一步控制了这些特殊光束的形状，利用可以 强度增长 并在传播时变得更亮的光束和光片。使用变得更亮的光片意味着我们可以从标本深处获得更多信号，而在标本深处，吸收通常会导致光片和图像变得嘈杂且暗淡得多。
该技术依赖于控制能量在样品内部分散的方式。从样品更深区域获得更多信号的幼稚方法是提高激光功率，这可能会对标本表面造成很大损害。通过仅选择性地将更多能量集中在深层中，我们可以以不应损害标本的方式增加信号。
我们的研究表明，这种整形光方法对 光片成像 有益，但我们也期望它可以推动一系列其他光学成像技术的极限，例如 光学相干断层扫描——一种“光学超声”成像方法，正在发现许多临床应用，包括视网膜成像。
现在是研究这些奇异光束的激动人心的时刻。
本文最初发表于 The Conversation。阅读 原文。