超快平面偏振各向异性成像技术实现单次二维纳米级荧光分子尺寸图谱解析

针对传统荧光偏振各向异性(PA)方法难以捕捉快速瞬态过程且缺乏平面特异性细节的难题，王鹏团队开发了压缩超快平面偏振各向异性成像技术(CUP2AI)。该技术结合飞秒激光片照明、分子旋转扩散性和压缩感知，实现了液相和气相环境中实时、非侵入性的宽场各向异性测量，单次采集即可获得500 ?3-80,000 ?3分子体积和10 ?-50 ?流体力学直径的二维图谱。研究成果为分子生物学、药物设计和纳米颗粒形成等领域提供了革命性工具。

　　

分子尺寸是决定物质物理、化学和生物特性的关键参数，但传统荧光偏振各向异性方法存在明显局限：无法捕捉亚纳秒级的快速瞬态过程，缺乏平面特异性信息，且需多次采集导致光漂白问题。在燃烧科学、环境监测和生物医学等领域，实时获取纳米级分子的空间分布信息具有重大意义。

针对这些挑战，加州理工学院王鹏团队与合作者开发了压缩超快平面偏振各向异性成像技术(CUP²AI)。这项突破性工作结合了飞秒激光片照明、分子旋转扩散理论和压缩感知算法，首次实现了单次曝光即可获取二维分子尺寸分布图谱，相关成果发表在《Nature Communications》。

研究团队采用三项核心技术：1)飞秒激光片照明系统，提供400 nm(单光子)和800 nm(双光子)两种激发模式；2)数字微镜器件(DMD)空间编码和条纹相机时间剪切，实现最高1250亿帧/秒的成像速度；3)基于总变分正则化的压缩感知重建算法，从三个二维图像中恢复四维时空数据立方体。实验样本包括水溶液中的荧光素-葡聚糖结合物(FITC-dextran)和火焰中的多环芳烃(PAHs)。

在"System and principle of CUP²AI"部分，研究详细阐述了系统设计原理。通过β-硼酸钡(BBO)晶体产生400 nm二次谐波，经柱面镜形成5.5×0.06 mm激光片，结合立体透镜(SL)和双偏振通道设计，同时记录平行(I^∥)和垂直(I^⊥)偏振分量。系统成像速度可在12.5-1250亿帧/秒间调节，适应不同分子尺寸测量需求。

"Molecule sizing using 125-Gfps PA imaging of 1PF in a liquid environment"展示了液相环境测量结果。通过1250亿帧/秒成像，测得荧光素(FL)、4K和20K葡聚糖分子的流体力学直径分别为11.0 ?、12.4 ?和21.8 ?，体积分布均匀性验证了技术可靠性。双样品池实验同时解析了不同尺寸分子(如FL与20K)的空间分布，证实了技术的多目标检测能力。

"PAH sizing using 50- and 25-Gfps PA imaging of 1PF in flames as a gaseous environment"部分将技术拓展至气相燃烧系统。在煤油火焰中，以25-500亿帧/秒速度捕获PAHs分子生长动态，发现沿火焰高度方向分子体积从4000 ?³增至47,000 ?³，对应尺寸从18 ?增长至45 ?。单次拍摄即可获得传统方法难以实现的湍流火焰瞬态信息。

"Molecule sizing using 12.5-Gfps PA imaging of 2PF in a liquid environment"验证了双光子激发模式的可行性。尽管信噪比降低，但仍成功测得20K分子直径21.5 ?，与单光子结果一致，为深层组织成像奠定了基础。

在讨论部分，作者指出CUP²AI技术的三大优势：1)单次曝光即可获取完整时空信息，避免扫描带来的误差；2)同时适用于液体和气体环境，温度适用范围达285-900K；3)兼容单双光子激发，拓展了生物医学应用场景。该技术为研究蛋白质寡聚化、药物-靶标结合、纳米颗粒形成等过程提供了全新工具，特别是在非稳态环境(如湍流火焰、活体组织)中展现出独特价值。未来通过与光片显微镜等技术结合，有望实现活体三维分子尺寸动态监测，推动从基础研究到工业应用的多个领域发展。