导读
近日，深圳大学物理与光电工程学院/医学光子学创新研究院刘丽炜教授团队在国际顶级期刊《Nature Communications》发表了题为 “Simultaneous dual-Raman-shift scanning-free stimulated Raman scattering microscopy for label-free biomolecular imaging”的研究论文。本研究利用光学啁啾色散、光的不同偏振态调制、介质中不同波长的折射率差异特征、以及电相位延迟等关键技术，实现了高波数C-H窗口内生物分子的高速成像，在保证高化学特异性的同时，实现了成像速度10倍提升、信噪比11 dB提升，且该系统可与其他成像模态兼容。研究院助理教授沈炳林为第一作者，曾智硕士生为论文第二作者，刘丽炜教授为通讯作者，深圳大学为第一完成单位和通讯作者单位。
1. 研究背景
受激拉曼散射(SRS)显微镜是一种基于分子振动的无标记光学成像技术。凭借其快速、高灵敏度、高化学特异性和非侵入性探测的优势，SRS显微镜能够可视化复杂的生物过程，使其在活细胞代谢研究、肿瘤组织识别、药物响应评估和临床病理诊断等领域具有重要应用价值。然而，传统SRS显微成像通常需要依赖耗时的“光谱扫描”或复杂的波长切换系统来获得不同分子振动信息，采集时间需数分钟之久，难以满足活体动态过程和临床快速检测对实时性的需求。尽管近年来学术界提出了基于脉冲整形、光谱聚焦或多路探测的优化方案，但它们普遍面临实验装置过于复杂、光纤耦合条件严苛、对环境扰动敏感或需要牺牲激光能量等限制。
2. 技术创新
研究团队在标准飞秒光谱聚焦显微镜上提出了一种低复杂性、高鲁棒性的同步双拉曼频移免扫描受激拉曼散射显微成像技术(SDRSRS)。该技术在常用的光谱聚焦SRS成像系统的基础上，巧妙利用光学啁啾色散、光的不同偏振态、双折射晶体中的折射率差异、以及电相位延迟，克服了传统的光谱扫描机制。不仅实现了“单次曝光、双色严格同步成像”，还将双通道分子对比获取速度提升了10倍以上，实现了相对相位的长期稳定与激光能量的高效利用。这一进展在实时细胞代谢监测、术中无标记临床病理学和癌症免疫治疗响应的定量评估中展现应用潜力。
图1 SDRSRS系统示意图
3. 验证与应用成果
研究团队从物理机制、光谱验证到多场景生物应用，多维度评估了该成像系统的应用表现：
1.光谱和成像验证
首先对二甲基亚砜(DMSO)和甲醇标准溶液进行拉曼位移扫描，确定了所需的双折射晶体长度以及相应的拉曼位移，以匹配不同分子化学键之间的能量差 ΔΩ。通过对PMMA和PS混合微球进行单次扫描成像，系统准确、清晰地在CH2和CH3通道分离出两种微球成分，展示了该系统的高化学特异性的光谱成像性能。
图2 SDRSRS光谱原理与成像验证
2.活细胞代谢与动力学观测
在活细胞成像中，SDRSRS成功实现了对蛋白质(细胞轮廓)与脂滴(CH2)细胞相关结构及其动态变化的单次曝光同步映射，有效避免了传统顺序采集带来的时间错位问题，能更准确地分析脂滴运动、融合、转运及细胞状态变化过程中的蛋白-脂质耦合关系。
图3 无标记SDRSRS实时观测活细胞CH2-CH3变化
3. 临床诊疗的无标记应用
为了验证该系统的临床转化潜力，研究团队在小鼠肝癌免疫治疗评估中，通过同步获取的CH3-CH2强度结合PCA与UMAP降维算法，清晰勾勒出不同治疗组的组级生化转变轨迹，证实PDT治疗具有更强的生化状态恢复效应。在人类结直肠癌(CRC)快速病理分类中，成像系统灵敏识别到了癌组织的代谢改变，其CH3-CH2复合生化指标显著低于癌旁区域；基于此的PCA聚类实现了高达 97%方差解释度的统计学分离。从动物药效定量评估到人癌症组织的高效分类结果证实了该技术在临床无标记病理筛查中的潜在价值。
图4 基于SDRSRS的小鼠肝癌免疫治疗分析
4. 研究总结
该研究不仅在大多数光谱聚焦受激拉曼显微成像系统上易于升级，也为生命科学和临床医学中的快速无标记分子成像提供新工具。与传统SRS成像相比，SDRSRS的优势并不只是提高成像速度，更重要的是实现了两个关键分子振动通道的严格同步采集，从而保证了像素级的空间和时间对应关系。
项目支持
本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市医学研究专项资金支持。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-73391-8
