随着生命科学和医学研究的不断发展，如何在光学显微镜下清晰观察复杂厚实的生物组织成为科学家们面临的重要挑战之一。传统光学显微镜在观察诸如皮肤、脑组织及癌细胞等厚样本时，常因背景光噪声和光散射，导致成像对比度和分辨率受到极大限制。近日，意大利热那亚的意大利技术研究所（IIT）分子显微与光谱实验室的科研团队，在自然光子学杂志发表了一项突破性研究成果，推出了一种全新的光学显微技术，专门针对厚而复杂生物样本，提供极其锐利和详细的三维图像。这一创新方法不仅实现了卓越的空间分辨率和光学切片效果，而且通过开放源码和开放访问形式，向全球科研机构无偿开放，标志着光学显微领域迈入了一个新的共享时代。 该技术的核心创新在于引入了单光子雪崩二极管（SPAD）传感器阵列，这种传感器能够以极高的空间和时间精度探测到每一个光子，极大提升了传统显微镜无法达到的灵敏度和成像质量。团队协调人维奇多米尼教授指出，现有显微镜技术在厚样本成像时，背景光的散射常常产生大量噪声，掩盖了组织结构的细节。
通过重新设计光线的捕获方式，新方法能够区分直接散射光与背景杂散光，通过先进的算法对探测到的光子路径进行精准重构，实现既高对比又高分辨率的图像采集。此方法犹如一把“光之手术刀”，能够深入样本内部进行无损观察，显著推动了对活体细胞乃至活组织的动态观测能力。 值得注意的是，该新显微技术支持多种先进成像手段，包括荧光寿命成像，这对于揭示细胞分子动态和功能信息有重要意义。研究团队的首席作者朱尼诺博士介绍，荧光寿命成像能够基于分子发光的时延特性分析活体细胞内的生物化学过程，为基础医学研究和病理分析提供了更为丰富的数据维度。结合单光子探测的精确度，科研人员不仅能获得结构信息，还能探索细胞代谢、分子交互和病理机制，为疾病诊断和药物研发带来新的视角。 此次研究隶属于更广泛的Brighteyes项目，旨在利用新型传感器技术，推动活体生物样本中生物分子过程的科学观察。
该项目不仅涵盖基础科研，还通过与国际工业界的合作，将多项创新技术推向市场，催生了初创公司Genoa Instruments，加快了科研成果向实际应用的转化速度。在开放科学的理念指导下，团队将相关软件、算法和数据公开共享，任何实验室无需支付费用即可采用或改进该成像方法，极大促进了科研社区的技术传播和自主创新能力。 这项技术的应用前景极为广泛。在神经科学领域，研究人员能够更清晰地研究脑组织复杂的三维结构，观察神经细胞间的相互作用，为脑疾病如阿尔茨海默症的病理机制研究带来助力。在肿瘤学研究中，该显微方法能够实时观察癌症细胞及其微环境，帮助揭示肿瘤的发展与转移过程。在再生医学和组织工程方面，动态监测活组织细胞的行为和药物反应，为新疗法的设计与评估提供科学依据。
尤其在药物研发领域，通过直接可视化药物与细胞的实时相互作用，显著提升新药筛选的效率和准确性，加快新疗法的临床转化。 此外，开放源码和开放访问模式的推广，体现了现代科学交流方式的转变。随着科研资源的数字化和共享化，科研团队之间能够快速协作，避免重复建设和资金浪费。对于发展中国家和资源有限的实验室而言，这种免费使用高端科研技术的机会极大降低了科研门槛，有助于提升全球科学研究的整体水平和多样性。 总的来说，意大利技术研究所研发的新型单光子检测显微技术，结合创新算法和高精度传感器，为生物医学领域提供了一种强有力的成像工具。其开放获取和开源软件的策略，不仅加速了科学发现的过程，也推动了全球科研社区的携手合作与创新精神。
未来，随着该技术的不断优化和应用扩展，将为理解生命的微观世界和改善人类健康做出更加深远的贡献。
