导读

光学显微镜自诞生以来，一直是生命科学研究的重要工具。然而，衍射极限长久以来如同“紧箍咒”，束缚着科学家对纳米尺度世界的探索。超分辨成像技术的出现打破了这一桎梏，其中超分辨结构光照明显微镜（SR-SIM）凭借其优异的标记兼容性，成为解析细胞器变化机制的利器。

然而，自2000年问世以来，SR-SIM在重建图像时易产生伪影、保真度不高的问题便如影随形，成为该技术领域久攻不下的核心痛点。究其根源，在于宽场成像方式所采集的原始图像质量不佳，离焦背景与噪声的干扰在频域重建过程中被进一步放大，从而引入严重的重建伪影，损害图像的真实度与分辨率。为缓解这一问题，现有方案多依赖复杂的数据后处理手段进行修正，但这种“先污染后治理”的思路无法从根本上消除重建伪影来源，改善效果有限，甚至可能引入不真实的图像特征，还使计算流程变得复杂冗长，严重制约了该技术在复杂生物样本中的广泛应用。

近日，华中科技大学袁菁教授、海南大学骆清铭院士团队彻底跳出了传统SR-SIM的固有范式，在前期建立的离轴成像框架基础上，提出了一种颠覆性的成像新方法，即数字阵列调制显微镜（DaMo）。该方法通过对天然高斯照明调制叠加虚拟阵列调制，将正弦调制的对比度提升至100%，并首次基于厄米特对称性提出了单频谱重建算法，将重建速度提升两个数量级。基于此，DaMo实现了横向100纳米、轴向300纳米的三维分辨率，信背比提升了3个数量级，更重要的是，它彻底解决了传统方法固有的重建伪影顽疾，真正实现了无重建伪影、高通量、高质量的三维超分辨成像。

该成果以长文形式发表于Nature Photonics，题为“Three-dimensional super-resolution imaging with suppressed background via digital array modulation microscopy”。华中科技大学李思洁博士生与金锐博士为并列第一作者，袁菁教授与骆清铭院士为并列通讯作者。鲁梦琦硕士生、张朦博士、魏云飞博士、张湛博士生、郭诗睿博士生、张玉慧教授、龚辉教授以及陆军军医大学张宁博士、王锋超教授为共同作者。

小百科1：什么是SR-SIM？SR-SIM的核心思路是利用结构化照明对荧光信号进行调制，借助莫尔效应将样本中原本不可见的高频细节信息搬移到显微镜能够探测到的范围内，再通过重建算法还原出一张分辨率比传统显微镜提升一倍的超分辨图像。相比其他超分辨技术，SR-SIM的突出优点是成像速度快、对样本的光毒性低、荧光标记兼容性好。

传统SR-SIM以宽场照明调制与Wiener重建框架为核心解决方案。宽场照明调制是指在照明光路中加入特殊的光学调制器件，使打到样本上的照明光呈现出正弦条纹的分布，从而激发出同样呈正弦变化的荧光信号。Wiener重建的标准流程则是先从采集到的原始调制图像中估算出调制参数，再据此分离出不同频率成分的频谱信息，最后将这些频谱分量移回正确的位置并融合在一起，形成一张完整的超分辨图像。

小百科2：SR-SIM为什么会存在重建伪影？传统SR-SIM技术的重建质量受限于原始数据质量，而造成这一问题的根本原因在于，传统方法采用的宽场成像光路，很难有效抵抗噪声和离焦背景的干扰。这些未被调制的干扰信息会带来两方面的负面影响。一方面，它们会导致调制参数估算不准确，使得频谱在分离和融合时出现错误，最终在图像中留下条纹状或蜂窝状的伪影。另一方面，它们会降低调制对比度，导致携带高频信息的有效信号减弱，更容易被噪声淹没，在重建过程中噪声被错误放大，形成类似锤击状的伪影。

为了缓解这些问题，现有的SR-SIM技术通常在重建环节中加入多种计算处理手段来改善图像质量。然而，这类图像后处理策略只能起到一定的修正作用，无法从根本上解决因原始图像质量不佳而引发的重建伪影问题。

小百科3：什么是离轴成像框架？不同于传统落射式照明成像中照明轴与探测轴共轴的方式，离轴成像框架采用照明与探测轴分离的成像策略。在该框架下，聚焦光斑形成天然的照明调制，阵列探测器捕获其完整的空间分布，在像素层面建立起一一对应的关系。由此，每个探测器像素都与一个特定的照明子区域形成共轭，以固有的离轴方式记录其独特调制的信号。在扫描成像过程中，样本点依次通过各照明子区域，使得单次扫描即可获取时间复用且空间编码的原始数据集，从而为灵活开发新型成像方法奠定了重要基础。

一、DaMo技术的三大突破

1. 高效的成像范式，调制对比度达100%，获得高质量的原始调制图像

传统SR-SIM采用零差探测成像方式，直接记录被正弦调制的荧光图像，其调制对比度的理论上限仅为50%，在实际应用中还极易受到噪声和背景干扰，导致调制对比度进一步下降。DaMo则另辟蹊径，利用线照明的天然高斯分布，结合阵列探测器的数字调制，实现了无需物理器件的100%高频对比度外差探测成像。这一设计将能量最大化分配至高频分量，同时借助线照明的共聚焦效应，从物理底层有效抑制了离焦背景，从根本上消除了伪影的产生来源。

2. 极致简化的重建算法，保真度达99%，重建速度提升两个数量级

传统SR-SIM采用全频谱重建的方式，计算过程复杂且耗时。DaMo独创的单频谱重建算法，发现了厄米特对称性在SR-SIM重建中的独特价值，首次利用这一固有特性将原本复杂的重建过程简化为线性计算。此外，仅使用高级次频谱参与重建，还可以增强对背景干扰的抑制效果。该算法不仅将重建速度提升了两个数量级，能够在成像的同时完成图像重建，更实现了高达99 ± 1%的图像保真度，确保了成像结果的真实可靠。

3. 优异的成像性能，横向分辨率100纳米、轴向分辨率300纳米，实现无伪影三维超分辨

得益于上述技术创新，DaMo仅凭横向调制便同时打破了横向和轴向的衍射极限，实现了严格意义上的横向100纳米、轴向300纳米的三维空间分辨率，信背比提升了3个数量级。更重要的是，它无需任何计算增强处理，真正实现了无伪影、高质量、高通量的三维超分辨成像，为复杂生物体系的观测提供了可能。

二、赋能生命科学：从活细胞到组织的跨尺度验证

DaMo的颠覆性不止于技术参数，更在于其强大的生物学应用潜力。研究团队通过一系列实验，充分展示了这一新方法的独特价值。

1. 活细胞：捕捉亚细胞结构的动态瞬间

活细胞中肌动蛋白的超分辨成像一直颇具挑战，传统方法难以将微弱的肌动蛋白信号与噪声分离。得益于其超高的图像质量，DaMo成功实现了对U2OS活细胞中肌动蛋白的时序记录，首次观察到丝状伪足延伸并级联融合的动态过程。这些结果充分展现了DaMo解析关键细胞过程中肌动蛋白时空动态的能力。此外，DaMo还具有较低的光毒性，在连续拍摄千余帧后细胞仍能保持活性。

图1：时间颜色编码的细胞肌动蛋白动态变化与丝状伪足的级联融合现象

2. 细胞涂片：高通量下的细胞周期全景成像

传统细胞器动态研究多依赖单细胞长时程观察，需在形态细节与群体统计效力之间权衡，存在采样广度、时间稳定性及实验成本等方面的局限。为此，该研究提出了一种全新的高内涵分析途径，通过对非同步化细胞进行全涂片快照式成像，无差别地获取各阶段具有统计学意义的形态学特征，从而实现高效的周期分析。DaMo用20分钟完成了全涂片万余个U2OS细胞的三色超分辨成像与同步重建，清晰揭示了从纺锤体形成、染色体分离到新细胞形成的完整有丝分裂过程。

图2：异步生长细胞的全景式细胞周期超分辨成像

3. 组织切片：实现完整小肠切片的跨尺度超分辨成像

组织切片的背景噪声更强，整体空间异质性更复杂，对传统超分辨成像技术构成了较大挑战。而DaMo凭借其高质量、高通量的特性，有效突破了这一瓶颈。该工作展示了DaMo对10毫米见方小鼠小肠完整冰冻切片的三通道超分辨成像结果，实现了1.92 TB原始数据的高效采集与在线重建。在此基础上，该工作还对小鼠小肠炎症模型下不同肠段、不同部位的线粒体病变进行了定量统计与分析，充分展现了DaMo在组织水平实现跨尺度、高保真超分辨成像的独特优势。

图3：小鼠小肠线粒体的完整切片超分辨成像与病变定量分析

三、总结与展望

DaMo的问世，为超分辨成像领域提供了一种兼顾分辨率、通量、信背比与普适性的三维成像新范式。它以软硬件协同优化为核心，实现了无需复杂调制器件、无需图像后处理增强的纯净成像路径，打通了从亚细胞器到组织架构的跨尺度观测链路。无论是活细胞、全细胞涂片，还是完整组织切片，该方法都展现出了出色的成像能力。这为生物医学基础研究与临床诊断带来了全新的可能，也让高内涵超分辨成像分析有望在更多科学议题中大显身手。

论文信息

Li, S., Jin, R., Lu, M. et al. Three-dimensional super-resolution imaging with suppressed background via digital array modulation microscopy. Nat. Photon. (2026).

https://doi.org/10.1038/s41566-026-01869-4