从活细胞到视网膜：FIS4系列波前传感器如何开启生物医学无标记成像新纪元

在现代生物医学研究中，显微成像是***基础也***关键的工具之一。从细胞生物学到组织病理学，从药物筛选到疾病诊断，成像质量直接决定了科研与临床的深度与精度。

然而，传统成像方法面临着一个根本性矛盾：要提高对比度和分辨率，往往需要引入荧光标记或染料染色；而这些外源性标记物，恰恰可能改变样本的生理状态，甚至影响实验结果的可信度。对于活细胞的长时程观察，标记物的光毒性和漂白效应更是难以回避的困扰。

与此同时，生物样本本身多为透明或半透明结构，在明场显微镜下缺乏足够的内禀对比度。光学系统像差和样本自身的不均匀性进一步劣化了成像质量。

有没有一种方法，既能获取高对比度、高分辨率的定量图像，又无需任何标记？

定量相位成像（Quantitative Phase Imaging, QPI）正是为此而生。它通过测量光波透过样本后的相位延迟来重建图像——无需染料、无需荧光、无需标记，即可获得关于透明生物样本的体积、干重、形态等定量信息。而实现这一技术的核心，正是FIS4四波干涉波前传感器。

一、传统波前检测方法在生物医学中的局限

在定量相位成像领域，传统波前检测方案主要有两类：

夏克-哈特曼（Shack-Hartmann）波前传感器是目前应用***广泛的方案之一。它通过微透镜阵列将波前分割成子孔径，测量各子孔径内光斑的质心偏移来重建波前。但在生物医学成像中，其空间分辨率受限于微透镜阵列数量，通常只有32×32至128×128个测量点——对于需要捕捉细胞精细结构的应用而言，远远不够。此外，微透镜阵列在不同波长下存在色差，限制了其在多色成像中的通用性。

传统双光束干涉仪（如马赫-曾德尔干涉仪）虽然精度高，但需要参考光路与环境隔振。在生物实验室的日常环境中，桌面振动、温度漂移和气流扰动都会导致测量结果不稳定。更关键的是，这类系统体积庞大、光路复杂，难以与标准生物显微镜集成。

生物医学研究需要一种紧凑、抗振、高分辨率、与现有显微系统兼容的波前检测方案——这正是FIS4的切入点。

二、FIS4：四波横向剪切干涉的技术革命

FIS4四波干涉波前传感器，基于四波横向剪切干涉（Quadriwave Lateral Shearing Interferometry, QWLSI）技术，由浙江大学杨甬英教授领衔的研发团队倾力开发。

其工作原理是：待测波前经过随机编码混合光栅（REHG）后，在两个正交方向上同时产生四束衍射光。这四束光在传播过程中相互重叠、干涉，由相机单帧采集一幅包含两个方向剪切信息的复合干涉图。通过波前重建算法，即可还原出反映样本折射率和高度信息的定量相位分布。

与传统方案相比，FIS4带来的根本性改变体现在四个维度：

FIS4-Cell-W的共光路自干涉设计，使其有效抑制环境振动干扰——无需隔振台，在普通生物实验台上即可完成高精度测量。其紧凑结构（FIS4-Cell-W 生物细胞款约120g）和与现有显微系统的兼容性，使其能够快速集成于倒置或正置生物显微镜。

三、生物医学核心应用场景

场景一｜活细胞无标记定量相位成像

核心价值：无需染色、无需标记，实时获取活细胞的定量三维信息

干细胞椭圆度、投影面积、光学体积、高点高度数据

FIS4-Cell-W可快速与任何光学显微镜搭配使用，实时测量被测细胞的3D相位分布。其成像过程无需标记、无需染色，实现活体3D成像，成像帧率可达24fps。

在实际应用中，FIS4-Cell-W已成功实现对多种生物样本的高质量观测：

· 红细胞动态成像：在血浆中连续观测红细胞动态变化超过15秒，清晰捕捉细胞膜波动。

· 干细胞自噬过程监测：以20倍放大率，在0、4、8小时时间点观测活体ESC细胞在自噬过程中的状态变化。如下图所示

· 纳米颗粒定位：基于强度与相位成像，实现100nm直径纳米颗粒的精准定位。

这些应用展示了FIS4-Cell-W在细胞活检、细胞计数、红细胞病态筛检等方面的潜力。

场景二｜眼科与视觉科学

核心价值：高分辨率波前检测，为个性化视觉矫正与视网膜成像提供精准数据

自适应光学技术正被广泛应用于眼底成像领域，以获得人类视网膜的高分辨率图像。波前传感器在这一系统中占据核心地位，其关键作用在于精准测量人眼屈光系统导致的波前畸变。

FIS4-Cell-W的高空间分辨率（512×512相位点）和宽光谱响应能力，使其能够精准量化人眼像差，为个性化屈光手术、人工晶体评估及视网膜高分辨率成像提供可靠数据支撑。相比传统哈特曼传感器（通常128×128或更低分辨率），FIS4-Cell-W能够捕捉更高阶的像差信息，对于精细化视觉矫正具有独特价值。

场景三｜药物筛选与细胞分析

核心价值：高通量、非侵入式细胞定量分析，加速药物研发进程

大肠杆菌用药测试变化（椭圆度、投影面积、光学体积、高点高度数据）

在药物研发中，细胞形态与动力学参数是评估药效的重要指标。传统方法依赖染色和终点检测，无法实时追踪细胞的动态响应。

FIS4-Cell-W可实现非侵入式的活细胞实时监测——细胞无需标记、无需染色，在天然状态下即可被持续观测。通过定量相位成像，可同时获取细胞的光学体积、干重、形态参数等多维度信息，为药物筛选、毒性评估和细胞生物学研究提供***、客观的数据支持。

场景四｜组织与微纳结构检测

核心价值：从细胞到组织，从透射到反射，一机多能

FIS4-Cell-W支持透射与反射双模式测量，既可用于透明生物样本的透射式定量相位成像，也可用于组织切片、生物材料表面的反射式轮廓检测。

在微纳结构测量领域，四波横向剪切干涉方法已在生物细胞成像、微纳结构测量等基于波前复原的测量领域获得广泛应用。超高空间分辨率（512×512相位点）使其能够精准捕捉微米乃至纳米尺度的结构细节。

四、市场趋势与国产替代机遇

全球自适应光学技术市场正快速增长，波前传感器凭借其在检测光学畸变和实现实时校正方面的关键作用，以约38%的市场份额占据主导地位。这些传感器广泛应用于天文、眼科和激光等领域，在先进成像系统中的集成日益广泛。

在中国市场，高端波前传感器长期依赖进口。国产企业在部分中低端产品已实现技术突破，但高端市场仍由国际巨头主导，未来五年国产替代空间巨大。生物医疗领域对定制化解决方案的需求尤为迫切。

FIS4的独特定位在于：技术路径与国际主流品牌（如F国波前传感器）同源——均基于四波横向剪切干涉技术——但FIS4实现了国产自研，在性能对标的同时具备显著的成本优势与本地化服务能力。

五、让生物医学成像告别标记依赖

如果您正在为以下问题寻找答案：

· 荧光标记的光毒性和漂白效应影响长时程活细胞观测？

· 传统哈特曼传感器分辨率不足，无法捕捉细胞精细结构？

· 干涉仪对环境振动敏感，无法在普通实验室稳定工作？

· 希望将定量相位成像功能集成到现有显微镜系统中？

FIS4系列波前传感器，就是您需要的工具。