基于超快光学的单分子相干调制显微成像在生物医学中的应用与展望

　　摘要 生命科学的发展一直伴随着显微技术的创新，基于超快光学的单分子相干调制显微成像技术在量子力学的理论基础上，通过结合超快光学和显微技术从而使微观生物的量子现象的观测成为可能。这篇综述首先介绍了单分子相干调制显微成像技术通过飞秒激光脉冲对实现了单分子量子相干态的操控，并通过调制解调技术获得单分子周围相干信息的基本原理，然后分别介绍了其在生物方面的两个应用：(1)通过降低生物自荧光和背景噪声,实现了生物成像对比度两个数量级的提高;(2)通过提取相干可视度 V 获得了单分子周围微观的量子信息,为生物体微环境的观察提供了有效手段;最后文章对基于单分子相干调制显微成像在癌症早期诊断方面做了展望，该方法将为癌症的早期诊断和预后评估提供新的途径。

　　关键词 显微成像，单分子相干调制，超快光学，成像对比度，相干可视化，癌症检测

　　周海涛;姚伟;秦成兵;肖连团;贾锁堂 量子光学学报 2021-12-08

　　生物医学光学成像的发展离不开新机制和新方法的创新，特别是探索光与生物体自身或者标记物之间相互作用的新机制可实现源头创新，从而发展新的生物医学光学成像方法[1]。例如，基于荧光物质受到光照后自发辐射荧光的原理，发明的荧光显微技术增强了成像对比度[2];基于受激发射损耗和随机单分子定位，分别发展出了 STED，PALM 和 STORM 等超分辨成像方法[3];基于飞秒激光与生物体自身或者标记荧光分子之间的非线性效应，发展出了以拉曼光谱、多光子为代表的显微成像方法[4, 5]。生命科学中量子现象的不断发现[6, 7]和超快光学技术的发展[8]，为基于量子光学的生物医学光学成像的发展提供了契机。基于超快光学的单分子相干调制显微(SMCM)成像技术便是其中之一[9- 11]。这项技术通过调制飞秒脉冲对之间的相位差来操控单分子的相干态，并解调荧光光子的到达时间获取标记单分子的调制信息。处理后的成像一方面抑制了自荧光等背景噪声的干扰，提高了成像的对比度;另一方面获取了单分子周围量子微环境的信息，实现了生物体量子相干的可视化。基于这项技术有望帮助人们进一步理解生物体内部的量子机制，并为癌症等疾病的早期检测提供新方法。

　　1 基本原理

　　在此我们将单分子近似为二能级系统，以说明相干态的制备与操控。如图 1A 所示，利用与二能级基态|0⟩和激发态|1⟩共振的超快脉冲对与单分子相互作用，制备单分子的相干叠加态。相干态的操控可以通过 Bloch 球上的 Bloch 向量来说明，如图 1B 所示，在理想条件下，Bloch 球的两极分别对应两个本征态(‘南极’，|0⟩，‘北极’，|1⟩)，而球上的其它点则表示基态和激发态电子波函数的相干叠加态 13-15。操控相干态的关键是改变脉冲对之间的相位差∆