作者

Ruihai Wang, Qianhao Zhao*, Julia Quinn, Liming Yang, Yuhui Zhu, Feifei Huang, Chengfei Guo, Tianbo Wang, Pengming Song, Michael Murphy, Thanh D. Nguyen, Andrew Maiden, Francisco E. Robles & Guoan Zheng*

Cite this article

Wang, R., Zhao, Q., Quinn, J. et al. Deep-ultraviolet ptychographic pocket-scope (DART): mesoscale lensless molecular imaging with label-free spectroscopic contrast. eLight 6, 1 (2026). https://doi.org/10.1186/s43593-025-00103-y

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https://doi.org/10.1186/s43593-025-00103-y

|本文由论文作者团队撰稿

导读

自显微镜问世以来，生物成像技术始终依赖染料或荧光标记来观察细胞结构，这不仅改变了样本的原始状态，还需要耗时的制备流程。在癌症筛查、术中快速病理等场景中，传统染色可能延误关键诊疗决策。近日，美国康涅狄格大学郑国安教授团队研发出深紫外叠层成像口袋显微镜（DART）。这一手持式设备巧妙利用生物分子在深紫外波段的固有吸收特性，通过无透镜编码叠层成像技术，实现了308纳米分辨率、厘米级视场和毫米级景深的高性能成像。DART的核心创新在于：通过差分光谱成像定量测定核酸和蛋白质分布，灵敏度达飞克级；采用‘虚拟态’算法消除相干性不足等光学缺陷；基于物理原理的分子定量实现可解释的虚拟染色，避免了AI‘黑箱’问题。该技术有望在快速病理诊断、活细胞原位监测、太空生物学研究等领域发挥重要作用。研究成果以“Deep-ultraviolet ptychographic pocket-scope (DART): mesoscale lensless molecular imaging with label-free spectroscopic contrast” 为题发表于eLight（影响因子32.1，入选两期卓越计划）。

显微成像技术长期面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境：追求高分辨率往往牺牲视场范围，扩大景深常以降低成像质量为代价，而获取分子信息则通常依赖染色标记。虽然无标记成像技术层出不穷，但各有短板——拉曼光谱可识别分子"指纹"，却受困于微弱信号和漫长采集时间；相位成像仅能反映折射率差异，无法区分具体分子成分。

深紫外波段（200-300纳米）为破解这一难题带来曙光。在此波段，生物大分子展现出独特的吸收"光谱签名"：蛋白质因含有色氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸，在280纳米处强烈吸收；核酸的嘌呤和嘧啶碱基则在260纳米处呈现吸收峰；而脂质、糖类的吸收相对微弱。这种与生俱来的分子特异性，使深紫外成像能够直接"看见"并定量细胞内的分子分布，无需任何外源标记。

然而，将深紫外成像从理论推向实用并非易事。首先，常规光学镜头会"吞噬"紫外光，必须采用石英或氟化钙材料制作专用镜头；其次，普通相机传感器的保护玻璃和微透镜结构严重削弱了深紫外响应；最具挑战性的是，如何在便携式设备中同时实现亚微米分辨率、厘米级视场和毫米级景深，并保持精准的分子定量能力——这个看似不可能的任务，正是DART口袋显微镜系统的突破所在。

1. 无透镜计算成像突破传统限制

DART系统摒弃了传统透镜架构，采用无透镜编码叠层成像技术实现性能突破。如图1所示，系统集成三种波长光源（266 nm、280 nm深紫外LED和405 nm激光），通过计算成像获得308纳米分辨率，同时保持厘米级视场和毫米级景深——这种"全能"表现打破了显微镜必须在各项指标间取舍的困境。

为增强深紫外灵敏度，研究团队对商用图像传感器进行了改造：首先移除保护玻璃，然后通过化学刻蚀去除像素上的微透镜阵列。这一改造使传感器的深紫外响应得到很大提升。在改造后的传感器上，团队进一步制作无序编码表面，将原本无法探测的大角度散射光转化为可测信号，有效提升了数值孔径和分辨率。

系统的另一关键创新是"虚拟误差态"重建算法。深紫外光源的有限相干性、光学元件的多重反射等因素会产生成像伪影，传统方法难以消除。DART通过在重建过程中引入虚拟态，将这些系统误差"引流"到独立的计算通道，从而获得高保真的分子图像。这一算法创新确保了即使使用低成本LED光源，也能实现高质量的定量成像。

图1： (a) DART集成三波长光源（266/280/405 nm）的无透镜编码叠层成像系统，通过虚拟态算法分离系统误差，实现高保真分子成像；(b) 系统内部结构，展示改造后的深紫外传感器、编码表面，以及借鉴手机光学防抖技术的传感器位移执行机构；(c) 口袋大小的DART设备实物图；(d) 成像流程示意：编码传感器在磁力驱动下进行网格式位移，在每个位置采集衍射图样，通过叠层成像重建算法和虚拟态分离，最终实现三波长定量分子成像

 2. 光谱成像实现分子定量检测

DART的核心优势在于无标记分子定量。系统在266纳米和280纳米波长下进行差分吸收成像，利用核酸和蛋白质的特征吸收峰实现精准分离。如图2a所示，DART可在1.5厘米视场内获取亚细胞分辨率图像，展现从厘米到微米的多尺度成像能力。图2b展示了定量分子分析结果：核酸质量0-50.53飞克/像素，蛋白质质量0-796.90飞克/像素。基于这些定量数据生成的虚拟染色图像具有明确的物理意义，避免了AI"黑箱"的不确定性。

图2：(a) DART在厘米级区域获取亚细胞成像细节 (b) 通过差分成像定量恢复核酸和蛋白质分布，实现可解释的定量虚拟染色

 3. 无标记成像性能超越传统方法

图3系统比较了DART与传统明场显微镜在五类典型生物样本中的成像效果。DART图像（a1-a5）清晰展现了细胞形态和分子分布，而相同样本在传统20×、0.75 数值孔径物镜下（b1-b5）几乎无法分辨任何结构。定量分析（c）显示，DART的成像对比度提升显著：血液涂片19.0倍、脑组织切片9.2倍、HEK-293细胞10.4倍、肺部FNA涂片10.9倍、口腔上皮细胞11.5倍。这种跨样本类型的一致性提升证明了DART在无标记分子成像领域的普适性优势。

图3：(a1-a5) DART对不同无标记生物样本的高对比度成像；(b1-b5) 传统20x、0.75数值孔径物镜成像结果；(c) 定量对比分析显示DART在所有样本中均实现9.2倍至19.0倍的对比度提升

 总结与展望

DART系统通过在手持设备中融合深紫外光谱学与无透镜叠层成像技术，为生物医学成像带来了破性。其主要贡献包括：（1）实现了308纳米分辨率、厘米级视场和毫米级景深的"全能"成像；（2）通过差分光谱定量测定蛋白质和核酸分布，灵敏度达飞克级；（3）基于物理原理的虚拟染色确保了结果的可解释性，克服了AI"黑箱"在医疗应用中的信任障碍。DART的便携式设计使其应用场景远超传统实验室。在临床诊断领域，可实现术中快速病理评估和细针穿刺即时分析；在科研领域，支持活细胞原位监测而无需标记干扰；在极端环境如太空站，可进行微重力下的生物学研究，监测宇航员健康状态。值得一提的是，研究团队目前正与欧洲航天局商业合作伙伴Yuri Microgravity公司开展合作，计划将DART设备部署至国际空间站。Yuri是全球领先的商业太空生物技术公司，已成功执行超过25次国际空间站研究任务。此次合作将使DART能够在真实的微重力环境下开展生物学实验，研究微重力对细胞形态、蛋白质表达和核酸分布的影响。这不仅有助于深入理解太空环境对人体健康的作用机制，也为开发新型药物和治疗方法提供独特的研究平台，进一步拓展DART在太空生命科学领域的应用前景。

展望未来，研究团队将从多个维度拓展DART功能：增加深紫外波长数量以细化分子分辨能力；开发叠层内窥镜版本用于体内成像；结合角度照明实现三维成像。这些技术升级将使DART从概念验证走向临床转化，成为下一代无标记分子成像工具。