计算成像最新突破-59-哈工大深圳张永兵团队在Nature子刊发表3D目标锁定单分子光谱动力学显微实现边追踪边测谱

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标题：
Single molecule spectrum dynamics imaging with 3D target-locking tracking

作者：

Hao Sha（哈尔滨工业大学深圳校区计算机科学与技术学院）；

Yu Wu（深圳湾实验室系统与物理生物学研究所）；

Yongbing Zhang（哈尔滨工业大学深圳校区计算机科学与技术学院）；

Ran Liu（深圳湾实验室系统与物理生物学研究所）；

Xiaochen Feng（哈尔滨工业大学深圳校区计算机科学与技术学院）；

Haoyang Li（上海交通大学化学化工学院超快科学与技术中心）；

Zhong Wang（深圳湾实验室系统与物理生物学研究所）；

Xiufeng Zhang（上海交通大学化学化工学院超快科学与技术中心）；

通讯作者： Yongbing Zhang（哈尔滨工业大学深圳校区计算机科学与技术学院）；

通讯作者： Shangguo Hou（深圳湾实验室系统与物理生物学研究所）；

发表时间：
2025年9月30日（发表）；2024年10月22日（投稿），2025年08月28日（接收）。

发表期刊：

Nature Communications（JCR=Q1，IF=15.7）

Fig. 1 3D-SpecDIM示意图。
 a 物镜后焦点在小体积内快速扫描；FPGA根据光子到达时间估计分子偏离量，并对压电平台施加反馈电压，把分子重新定位到激发体积中心，实现高时空精度的3D单分子动力学观测。
 b 在探测光路中集成棱镜光谱成像：荧光被棱镜色散并投到EMCCD获取光谱剖面；目标锁定让光谱采集更快、更准、可成像深度更大。
 c 将3D位置动力学与光谱动力学同步，实现多参数动态数据采集。

Fig. 2 3D-SpecDIM性能表征。
 a、b 200 nm荧光微球在水中扩散的3D轨迹，颜色编码分别表示谱（a）或时间（b）。
 c 传统高斯拟合与ViT_d谱定位精度对比（谱定位精度从1.63 nm提升到1.11 nm）。
 d 谱定位误差随单帧光子数变化：对比高斯拟合、ViT_d与CNN方法；ViT_d在高光子数下可达0.3 nm精度。
 e 谱定位误差随曝光时间变化（示例APD信号为5 MHz）。
 f 在不同曝光时间下，谱定位精度随APD信号变化的曲线。
 g、h 单个SeTau 647分子在90 wt%甘油中扩散的3D轨迹，颜色编码分别为谱（g）或时间（h），并显示对应谱条纹与谱线。
 i 轨迹的均方位移拟合与扩散系数示例。
 j–m 三种单分子染料的统计：水合直径、谱峰位置、追踪时长与发光速率等。

Fig. 3 活细胞中用3D-SpecDIM增强比值荧光成像，观察线粒体自噬。
 a 线粒体自噬过程示意，线粒体用pH敏感探针mGold-HaloTag-JF549标记，mGold/JF549强度比作为pH指示。
 b、c 自噬过程中线粒体3D轨迹，颜色编码为时间（b）或pH比值（c），并给出两时刻的谱图示例。
 d 雷帕霉素处理与未处理细胞中线粒体运动速度对比（均值±标准差）。
 e 自噬过程中谱线随时间的变化，三个谱峰依次对应mGold、JF549与LysoTracker。
 f pH比值与溶酶体强度随时间变化（示例显示约40 s后pH下降与溶酶体信号增强相关）。
 g 多分辨率成像：溶酶体3D体图与线粒体3D光谱轨迹叠加，轨迹颜色编码pH比值，溶酶体体图颜色编码强度。
 h g的xy、xz、yz投影图。

Fig. 4 活细胞中用3D-SpecDIM进行定量光谱成像，研究细胞膜起泡。
 a 细胞膜用Nile Red染色，蓝光照射可诱导起泡；跟踪银纳米颗粒3D位置并监测Nile Red光谱变化。
 b 起泡事件中单个银纳米颗粒的3D轨迹，轨迹颜色编码Nile Red谱峰波长；并叠加明场图与细胞轮廓。
 c 起泡过程中Nile Red谱线随时间变化，以及谱峰位置随时间的曲线与变化速率统计。
 d 起泡出现的累积概率随时间变化与半累积时间。
 e 起泡事件中银纳米颗粒的竖直与平面移动速度对比（均值±标准误）。

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