在材料和生物研究领域中，光学成像技术的演进始终是科学家们瞩目的焦点。传统的机械成像方法，因其较强的扰动性，常常令研究者们颇感困扰。而具有机械对比的光学成像技术，以其较低的扰动性，成为了材料和生物发现的关键所在。

光学机械成像技术是原子力显微镜的得力伙伴，能够在（亚）微米尺度上，对样品内部展开三维横截面的精妙成像。在现有的光学技术阵列中，光学相干弹性成像和二次谐波产生显微镜，虽常被用于成像材料和生物系统，但它们各自的局限性也不容忽视。连续波（cw）受激布里渊散射显微镜（SBM），尽管展现出了成为全光机械成像的潜力，但时间分辨率的有限性、以及在成像生物样品时高辐照剂量的潜在风险，都使其应用受到一定的限制。

为攻克这些难题，来自以色列本·古里安大学生物医学工程系的研究人员在Nature Photonics期刊上报道了新型的布里渊增益显微技术（Brillouin gain microscopy，BGM）。它能够测量样品在单一、机械对比频率（Ω_C）下的SBG，且无需进行频率扫描。与SBM相比，BGM的时间分辨率实现了惊人的200倍提升，降至100μs，同时激发能量大幅降低了约200倍。

在已知样品折射率的条件下，样品的布里渊频移Ω_B、布里渊线宽Γ_B、SBG信号峰值G_B，都和样品声速、声衰减、质量密度有关，因此为光学成像带来了多种力学对比度差异。根据这些信息，样品中材料组分的布里渊纵向模量M^*可以在GHz频段下测得。通常而言，布里渊显微术是多色成像方法，需要在每个像素中测量完整的布里渊谱，以提取Ω_B或Γ_B·数据来解算纵向模量M^*，然而，这使得在大多数受激布里渊显微成像系统中的单像素驻留时间长达20 ms左右。

图1 受激布里渊散射（SBS）效应示意图及样本轴向界面处G(Ω)基线矫正结果

在以往基于连续光的受激布里渊显微（CW-SBM）方法中，pump光和stokes光会分别与样品中的声子发生相互作用，当样品中产生频率为Ω_B=ω_p-ω_s的声子振动时，stokes光强度会增加，产生相应的受激布里渊增益（SBG）信号，记为G(Ω)=ΔI/I_S。通过对差频信号Ω(t)=ω_p-ω_s(t)进行扫描，则可以得到SBG谱，峰值即为G_B。为了测量SBG信号，使用高频相敏检测方案，即以特定的频率（1.1 MHz）调制pump光的光强，并使用锁相放大器检测stokes光中的SBG信号。

为了满足低激发能量、高速高分辨的布里渊成像需求，研究团队进一步地提出了布里渊增益显微技术（BGM）的概念：该方法无须多个频率扫描，仅在单个频率ΩC进行具有力学对比度的单色成像。类似受激拉曼散射显微镜（SRS）探测样品特定的分子振动频率的思路，BGM通过选择样品中布里渊散射最活跃的声学振动模式进行选择性单色成像。为进一步消除样品pump光背向散射带来的基线误差（如图1C紫色区域所示），该研究设计了自动控温的简化标准具以及光学滤波器件，同时兼顾pump光利用率与基线矫正的需求，有效实现材料轴向力学分界面处SBG信号的近基线探测。相比于原先CW-SBM技术20 ms的时间分辨率，该工作所提BGM方法的时间分辨率可缩短至100 μs水平，成像速度加快200倍，平均激发能量也从5.3 mJ降低至0.023 mJ，降低对生物样品的光毒性。

在材料成像的过程中，运用BGM对聚丙酰胺（PAA）凝胶上的磷酸盐缓冲盐水（PBS）进行成像，收获了令人瞩目的成果。PBS的SBG光谱峰值优雅地坐落于5.06 GHz，而PAA则在5.39 GHz处绽放光芒，通过精妙调谐至不同的声学振动频率，样品的不同层得以清晰显现。

图2 PBS+PAA双层仿体的布里渊增益显微成像结果。比例尺：2.5 μm

在多细胞生物成像的舞台上，对C. elegans线虫头部进行的体内BGM成像，更是精彩纷呈。线虫的咽在5.53 GHz处呈现出一个独特的布里渊峰，而周围组织则在5.30 GHz处拥有一个布里渊峰，通过细腻调谐至不同的频率，咽的结构得以清晰展现。

图3 活体C. elegans线虫的布里渊增益显微成像结果。比例尺：10 μm

成纤维细胞成像也是BGM的一项卓越应用。在NIH/3T3细胞中，细胞核质和核仁的布里渊峰分别在5.25 GHz和5.40 GHz处熠熠生辉，通过精准调谐至不同的频率，核仁得以有效识别。

图4 活NIH/3T3成纤维细胞中的BGM细胞成像

此外，BGM在早期胚胎发育成像方面展现出的潜力令人赞叹。借助其高超的时间分辨率，对C. elegans线虫早期发育进行的时间推移BGM成像。在胚胎细胞分裂的第二和第三轮期间，通过调谐泵浦光和斯托克斯光的频率差至细胞核的布里渊频移（5.3 GHz），每45秒便能收集一次单色BGM图像，持续约8分钟。

与SBM相比，BGM以其更高的时间分辨率、更低的激发能量脱颖而出，同时在光谱分辨率、光学分辨率和切片能力方面，与SBM和共焦布里渊显微镜并驾齐驱。当然，当前实现的BGM仍存在一些有待提升之处，例如在高度散射的样品中，可能需要更高的初始泵浦激光功率。但未来的研究有望进一步优化BGM的性能，拓展其在软物质机械性质探测、结构和动力学分析以及细胞计数等成像应用中的无限潜力。

总的来说，布里渊增益显微镜为我们呈现了一种低能高效的机械成像技术的迷人魅力，展示其应用于材料界面、活细胞和微生物成像中的潜力，证明了BGM方法在百纳米级光学分辨率、MHz级光谱分辨率、100 μs级时间分辨率、低激发能量条件下，具备精细力学对比度的光学动态成像能力。展望未来，该技术有望应用于柔性材料、生物医学等领域，针对结构解析、动态演化等前沿问题，面向肿瘤病理、组织评估等临床需求，于微纳之间，成为有趣、有效、有用、有共鸣的光学方法之一。

声明：本文仅用作学术目的。内容及图片来源于《爱光学》、《Brillouin gain microscopy》；https://doi.org/10.1038/s41566-024-01445-8；如涉及版权问题，可联系工作人员删除处理。

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