基于超快光學的單分子相干調制顯微成像在生物醫學中的應用與展望

　　摘要 生命科學的發展一直伴隨著顯微技術的創新，基于超快光學的單分子相干調制顯微成像技術在量子力學的理論基礎上，通過結合超快光學和顯微技術從而使微觀生物的量子現象的觀測成為可能。這篇綜述首先介紹了單分子相干調制顯微成像技術通過飛秒激光脈沖對實現了單分子量子相干態的操控，并通過調制解調技術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用：(1)通過降低生物自熒光和背景噪聲,實現了生物成像對比度兩個數量級的提高;(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,為生物體微環境的觀察提供了有效手段;最后文章對基于單分子相干調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后評估提供新的途徑。

　　關鍵詞 顯微成像，單分子相干調制，超快光學，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;賈鎖堂 量子光學學報 2021-12-08

　　生物醫學光學成像的發展離不開新機制和新方法的創新，特別是探索光與生物體自身或者標記物之間相互作用的新機制可實現源頭創新，從而發展新的生物醫學光學成像方法[1]。例如，基于熒光物質受到光照后自發輻射熒光的原理，發明的熒光顯微技術增強了成像對比度[2];基于受激發射損耗和隨機單分子定位，分別發展出了 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記熒光分子之間的非線性效應，發展出了以拉曼光譜、多光子為代表的顯微成像方法[4, 5]。生命科學中量子現象的不斷發現[6, 7]和超快光學技術的發展[8]，為基于量子光學的生物醫學光學成像的發展提供了契機。基于超快光學的單分子相干調制顯微(SMCM)成像技術便是其中之一[9- 11]。這項技術通過調制飛秒脈沖對之間的相位差來操控單分子的相干態，并解調熒光光子的到達時間獲取標記單分子的調制信息。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境的信息，實現了生物體量子相干的可視化。基于這項技術有望幫助人們進一步理解生物體內部的量子機制，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，以說明相干態的制備與操控。如圖 1A 所示，利用與二能級基態|0⟩和激發態|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。相干態的操控可以通過 Bloch 球上的 Bloch 向量來說明，如圖 1B 所示，在理想條件下，Bloch 球的兩極分別對應兩個本征態(‘南極’，|0⟩，‘北極’，|1⟩)，而球上的其它點則表示基態和激發態電子波函數的相干疊加態 13-15。操控相干態的關鍵是改變脈沖對之間的相位差?