基于超快光學(xué)的單分子相干調(diào)制顯微成像在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與展望

　　摘要 生命科學(xué)的發(fā)展一直伴隨著顯微技術(shù)的創(chuàng)新，基于超快光學(xué)的單分子相干調(diào)制顯微成像技術(shù)在量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)上，通過結(jié)合超快光學(xué)和顯微技術(shù)從而使微觀生物的量子現(xiàn)象的觀測成為可能。這篇綜述首先介紹了單分子相干調(diào)制顯微成像技術(shù)通過飛秒激光脈沖對實(shí)現(xiàn)了單分子量子相干態(tài)的操控，并通過調(diào)制解調(diào)技術(shù)獲得單分子周圍相干信息的基本原理，然后分別介紹了其在生物方面的兩個應(yīng)用：(1)通過降低生物自熒光和背景噪聲,實(shí)現(xiàn)了生物成像對比度兩個數(shù)量級的提高;(2)通過提取相干可視度 V 獲得了單分子周圍微觀的量子信息,為生物體微環(huán)境的觀察提供了有效手段;最后文章對基于單分子相干調(diào)制顯微成像在癌癥早期診斷方面做了展望，該方法將為癌癥的早期診斷和預(yù)后評估提供新的途徑。

　　關(guān)鍵詞 顯微成像，單分子相干調(diào)制，超快光學(xué)，成像對比度，相干可視化，癌癥檢測

　　周海濤;姚偉;秦成兵;肖連團(tuán);賈鎖堂 量子光學(xué)學(xué)報 2021-12-08

　　生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像的發(fā)展離不開新機(jī)制和新方法的創(chuàng)新，特別是探索光與生物體自身或者標(biāo)記物之間相互作用的新機(jī)制可實(shí)現(xiàn)源頭創(chuàng)新，從而發(fā)展新的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像方法[1]。例如，基于熒光物質(zhì)受到光照后自發(fā)輻射熒光的原理，發(fā)明的熒光顯微技術(shù)增強(qiáng)了成像對比度[2];基于受激發(fā)射損耗和隨機(jī)單分子定位，分別發(fā)展出了 STED，PALM 和 STORM 等超分辨成像方法[3];基于飛秒激光與生物體自身或者標(biāo)記熒光分子之間的非線性效應(yīng)，發(fā)展出了以拉曼光譜、多光子為代表的顯微成像方法[4, 5]。生命科學(xué)中量子現(xiàn)象的不斷發(fā)現(xiàn)[6, 7]和超快光學(xué)技術(shù)的發(fā)展[8]，為基于量子光學(xué)的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像的發(fā)展提供了契機(jī)。基于超快光學(xué)的單分子相干調(diào)制顯微(SMCM)成像技術(shù)便是其中之一[9- 11]。這項技術(shù)通過調(diào)制飛秒脈沖對之間的相位差來操控單分子的相干態(tài)，并解調(diào)熒光光子的到達(dá)時間獲取標(biāo)記單分子的調(diào)制信息。處理后的成像一方面抑制了自熒光等背景噪聲的干擾，提高了成像的對比度;另一方面獲取了單分子周圍量子微環(huán)境的信息，實(shí)現(xiàn)了生物體量子相干的可視化。基于這項技術(shù)有望幫助人們進(jìn)一步理解生物體內(nèi)部的量子機(jī)制，并為癌癥等疾病的早期檢測提供新方法。

　　1 基本原理

　　在此我們將單分子近似為二能級系統(tǒng)，以說明相干態(tài)的制備與操控。如圖 1A 所示，利用與二能級基態(tài)|0⟩和激發(fā)態(tài)|1⟩共振的超快脈沖對與單分子相互作用，制備單分子的相干疊加態(tài)。相干態(tài)的操控可以通過 Bloch 球上的 Bloch 向量來說明，如圖 1B 所示，在理想條件下，Bloch 球的兩極分別對應(yīng)兩個本征態(tài)(‘南極’，|0⟩，‘北極’，|1⟩)，而球上的其它點(diǎn)則表示基態(tài)和激發(fā)態(tài)電子波函數(shù)的相干疊加態(tài) 13-15。操控相干態(tài)的關(guān)鍵是改變脈沖對之間的相位差?