“超级相机”可拍活细胞“高清电影”

RIED显微镜观察到的细胞骨架。

霆光摄

◎本报记者 江 耘 通讯员 岳思聪

“使用传统的荧光显微镜，激光照到细胞上，最长十几分钟荧光分子就漂白了，功率加大还会对细胞活性造成不可逆的损伤。

而我们可连续观测长达41个小时，细胞状态依然很好，成像画面依然清晰。

”

——朱文鑫 论文第一作者、浙江大学化学系博士后

无需外部激光，仅靠化学反应自身发出的微光，就能看清活细胞内百纳米级的精细结构——这项由中国科研团队研发的“RIED”显微成像技术，打破了传统光学显微镜“看得清”与“看得久”不可兼得的困局。

该研究成果由浙江大学教授冯建东团队与哈尔滨工业大学教授赵唯淞团队合作完成，近日发表于国际学术期刊《自然》。

这种全新显微成像技术，彻底摆脱了经典显微镜对“光激发”的依赖，为光学显微成像领域推开了一扇新的大门。

传统外源光成像存在短板

你还记得中学生物课上那片薄薄的洋葱内表皮吗？在载玻片上滴一滴清水，展平薄膜，盖上盖玻片，再用碘液轻轻染色……当显微镜底部的光源点亮时，一束光透过样品，你的眼前浮现出一排排整齐排列的长方形洋葱表皮细胞。

那时的你是否想过：如果有一台更高级的显微镜，是不是就能看到更细微、更清晰的微观世界？

对于这个问题，1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝就给出了答案：不行。

恩斯特·阿贝提出，传统光学显微镜的分辨率永远无法超过光波长的一半，也就是约200纳米。

小于这个尺度的细节，会因光的衍射效应模糊成一团，细胞内的生物分子、精细结构都无从分辨。

但在实际操作中，200纳米的分辨率也很难实现。

直到突破阿贝衍射极限的超分辨荧光显微镜被发明，光学显微才进入纳米时代。

而当科研人员跳出光学显微这个细分领域，站在更大的显微分析仪器的视角来看，则发现了一个更加普遍的科学逻辑：几乎所有的现代显微与分析仪器，都遵循着“光输入—相互作用—光输出”的检测范式。

荧光显微镜输入激光激发荧光分子发光，电子显微镜输入高能电子束解析精细结构，红外光谱仪输入红外光识别化学键。

百年来，正是依靠这套“外源光（含电磁波）输入作用”的探测逻辑，科学家得以一步步解码肉眼不可见的微观世界。

但是，外源输入的光伴随着一定的破坏性。

比如，电镜就很难做活细胞观测，因为没有细胞能在高能电子束下存活。

可以做活细胞成像的超分辨荧光显微镜，却存在光漂白、光毒性的先天局限。

其所用到的高能激光，在点亮纳米尺度细节的同时，也在强干扰细胞的正常生理状态，导致人们始终无法通过这种方式完成活细胞的长时程观测。

换言之，过去在活细胞成像领域，“看得清”和“看得久”是鱼和熊掌不可得兼。

要打破这一困局，需要从根本上改写成像机制，跳出“外源光成像”的固有框架。

向内求索——让化学反应甚至生命体本身就能够发光。

研究团队的探索，正是从这里破局。

化学反应方法打破瓶颈

为了能通过细胞发出的微光看清楚细胞的结构，冯建东团队经历了一场漫长的科研“马拉松”。

2021年，团队首次证明了用电化学发光反应实现单分子超分辨成像的可行性。

该成果被国际同行在《自然》撰文评价为“提出了基于化学途径的超分辨显微镜全新成像概念”。

然而，新方法虽然具有开创性意义，但电化学发光场景有限。

经过5年的深入探索，团队在原有研究基础上持续攻关，推出了一套通用的化学反应发光超分辨成像框架，将成像模态从单一的电化学发光拓展至化学发光、生物发光反应体系。

化学反应发光虽然因为强度低而制约了成像分辨率，但其过程却伴随着丰富的信息，包括发光信号的涨落、衰减变化等。

为了最大化捕获并利用化学发光信号，研究团队创新性引入了“时空孤立采样”策略，高效收集在时间和空间上均呈现高波动特征的反应光子信号。

这些化学过程信息被完整记录下来后，可以提升成像分辨率。

“化学反应发出的光虽然微弱，但其背景是完全黑暗的，这使得信号提取具有优势。

就像萤火虫的光虽然微弱，但我们在黑夜中可以很容易地看见它一样。

”冯建东说。

团队首次实现了活细胞多种细胞器的三维、高时空分辨成像，空间分辨率达100纳米，可与当前主流活细胞荧光超分辨技术相媲美。

更好读懂微观生命过程

更具突破性的是，这套新方法不仅解决了“看得清”的问题，同时也破解了荧光显微镜的底层制约逻辑：高分辨率的获得需要强激光激发，而激光会杀死细胞。

新方法具有无外部激光激发的天然优势，因此活细胞成像不用再面临光漂白、光毒性等风险，连续成像时长较同等条件下的荧光显微技术提升了上百倍。

通过这个新方法，团队首次完整追踪了单个线粒体跨细胞转移的动力学过程。

“使用传统的荧光显微镜，激光照到细胞上，最长十几分钟荧光分子就漂白了，功率加大还会对细胞活性造成不可逆的损伤。

而我们可连续观测长达41个小时，细胞状态依然很好，成像画面依然清晰。

”论文第一作者、浙江大学化学系博士后朱文鑫介绍，“观测时长的量变会引发活细胞成像的质变，我们相信这项技术未来还会有更广阔的应用空间。

”

据介绍，在生物成像领域，该技术将为原位实时看清楚活细胞内部组织结构、拍摄分子过程变化“高清电影”提供全新“超级相机”，有望驱动全新科学发现。

普通CT和光子计数CT有什么区别？更容易发现早期癌症吗？

体检发现肺结节，医生建议定期做胸部CT；有冠心病风险的人，可能需要评估冠状动脉；一些复杂疾病还需要更精细的影像检查。

随着光子计数CT逐步进入临床，很多人开始关心：这种新型CT是不是比普通CT更清楚？辐射是不是更低？做一次检查，能不能发现更多疾病？ 要回答这些问题，首先需要弄清楚：光子计数CT改变的是成像技术，而不是把CT检查变成了可以直接判断所有疾病的“万能扫描”。

一、两种CT最大的区别是什么？ 传统CT通常通过探测器接收X射线，并将其转换为电信号，用于重建人体断层图像。

光子计数CT则利用能够直接探测单个X射线光子的探测器，记录光子数量和能量相关信息。

打个比方，传统CT更像是统计一段时间内收集到的信号总量；光子计数CT则能对信号进行更细致的逐个计数和能量分析。

这并不意味着传统CT已经过时。

普通CT在肺部、腹部、头部及骨骼等检查中仍然发挥着重要作用。

光子计数CT的优势主要体现在某些特定成像任务上，能否转化为更好的临床结果，还需要结合具体疾病判断。

二、图像更清晰，意味着更容易发现早期癌症吗？ 不能直接画等号。

光子计数CT能够在合适的条件下提高空间分辨率，有助于显示某些细小解剖结构。

2025年的相关综述指出，这项技术在心血管、胸部、腹部、神经系统及儿科影像等领域具有临床应用潜力。

但癌症诊断不仅取决于图像是否清晰，还与病灶本身的生物学特征、大小、位置、扫描方案以及医生的判断有关。

例如，肺结节的风险评估需要综合结节大小、密度、边缘特征和随访变化。

部分早期肿瘤生长缓慢，某些病灶在影像上也可能与良性病变相似。

即使使用更高分辨率的设备，也不能保证所有早期癌症都能被发现，更不能仅凭CT影像确定所有结节的病理性质。

如果影像提示可疑病灶，医生可能建议随访、进一步影像检查或病理取样。

光子计数CT不能替代这些必要步骤。

三、光子计数CT的辐射剂量一定更低吗？ 这是一个需要谨慎回答的问题。

光子计数CT在部分成像任务中具有降低辐射剂量的潜力。

其探测方式能够减少部分电子噪声，并在特定条件下改善图像质量与剂量之间的平衡。

但实际辐射剂量并不是由设备名称单独决定的。

扫描部位、患者体型、扫描范围、扫描参数和诊断要求都会影响最终剂量。

因此，不能简单地说“光子计数CT辐射很低，适合所有人反复检查”，也不能把某一项设备研究中的剂量降低比例套用到所有检查场景。

无论采用哪种CT，合理原则都是：检查应有明确的临床目的，并尽量采用满足诊断需要的扫描方案。

对于儿童、孕妇或需要多次影像随访的人群，更应由医生评估检查必要性、辐射风险和可能的替代方式。

四、哪些检查可能更有价值？ 1. 冠状动脉及血管成像 冠状动脉比较细小，心脏又在不断运动。

提高空间分辨率、减少部分图像伪影，可能有助于某些冠状动脉和支架相关检查。

但能否得到高质量图像，还受到心率、钙化程度、运动伪影及扫描方案等因素影响。

2. 肺部细小结构观察 在适当条件下，光子计数CT有望更清晰地显示肺部小气道等细微结构。

对于肺结节，仍然需要结合临床指南判断随访和进一步检查的必要性。

3. 神经系统和其他复杂影像任务 某些细小血管、骨性结构和材料特征可能从能量成像或高分辨率成像中获益。

不过，具体应用应根据临床证据和医院的实际检查能力决定。

2025年发布的光子计数CT临床应用专家共识，也围绕该技术的高分辨率、能量成像和临床适用场景进行了总结。

五、普通人检查时应该怎么选？ 如果是常规体检，或者医生已经判断普通CT能够满足诊断需求，一般不需要仅为追求新技术而额外指定光子计数CT。

如果存在复杂病变、常规检查结果不明确，或者医生认为需要更高分辨率或特定能量成像信息，可以询问是否有更合适的检查方案。

建议就诊时重点了解三个问题： • 这次检查要解决什么临床问题？ • 使用光子计数CT，是否会改变诊断判断或治疗方案？ • 是否存在更合适、风险更低或更容易获得的替代检查？ 设备先进与否，只是医疗决策中的一个因素。

医生的临床经验、影像质量、检查目的和后续处理能力同样重要。

六、不要为了“查得更全”而重复做CT 有些人希望一次检查发现全身所有问题，因而反复要求做高端影像检查。

但检查项目越多，并不意味着健康收益一定越大。

对于没有明确临床指征的人群，额外影像检查可能带来偶然发现、后续复查和不必要的焦虑。

对于已经发现肺结节的人，按照风险分层进行规范随访，通常比盲目增加检查项目更重要。

光子计数CT的价值，在于为合适的患者提供更有针对性的成像选择，而不是取代普通CT，更不是让所有人都需要升级检查。

参考文献： 中华医学会放射学分会、《中华放射学杂志》光子计数CT临床应用协作组. 光子计数CT临床应用专家共识.《中华放射学杂志》， 2025， 59(4)。

查看文献。

van der Bie J， et al. Photon-counting CT： An updated review of clinical results. European Journal of Radiology. 2025;190：112189. DOI： 10.1016/j.ejrad.2025.112189。

查看文献。

Rajiah P， et al. Photon-Counting CT： Technology， Current and Potential Future Clinical Applications， and Overview of Approved Systems and Those in Various Stages of Research and Development. Radiology. 2025;314(3)：e240662. DOI： 10.1148/radiol.240662。

查看文献。

本文仅为健康科普，不替代医生诊断。

具体检查方案应根据临床需要，由医生评估决定。

惰性元素：化学世界的“隐士”与“赋能者”

在元素周期表的大家庭中，有这样一群特殊的成员：它们仿佛与世无争的隐士，在化学反应中极少露面，却恰恰因为这份“沉默”，在现代科技与人类生活中扮演着不可替代的角色。

它们，就是惰性元素——也被称为稀有气体或贵族气体。

在现行的118种元素中，惰性元素共有七种：氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）以及人工合成的气奥（Og）。

其中，前六种天然存在于自然界中，而气奥则是科学家在实验室中人工合成的，其原子核极不稳定，半衰期很短。

在常温常压下，这些元素都是无色无味的气体，以单原子形式存在。

它们最显著的特征是“惰性”——极难与其他物质发生化学反应。

在惰性元素的原子中，电子在各个电子层中的排列恰好达到了最稳定的数目——即最外层电子层形成了完整的“八电子”（氦为“二电子”）稳定构型。

这种结构使原子既不容易失去电子，也不容易获得电子，自然就难以与其他原子发生电子交换或共享，从而表现出极强的化学稳定性。

1785年，英国科学家卡文迪什在研究空气组成时，发现空气中似乎还残留着少量未知气体，但这一现象当时并未引起重视。

直到100多年后的1894年，英国物理学家瑞利注意到一个微小却关键的差异：从空气中分离出的“氮气”每升重1.2572克，而从氮化合物中分离出的氮气每升仅1.2508克——两者相差0.0064克。

正是这细微的差别，促使他与化学家拉姆塞合作，最终发现了一种全新的、极不活泼的气体——氩（Argon），意为“不活泼”。

氦的发现则更具浪漫色彩。

1868年，法国天文学家简森在观察日全食时，在太阳光谱上发现了一条不属于已知元素的黄线。

英国天文学家洛克耶尔也独立观测到这条线，并将其命名为Helium，取自希腊语“太阳神”之意。

有趣的是，这个在太阳上“发现”的元素，直到27年后才在地球上找到。

此后，氖、氪、氙、氡相继被发现，惰性气体家族逐渐完整。

虽然被称为“惰性”，但这些元素在现代社会中却一点也不“闲”。

正因为它们不轻易参与化学反应，反而在许多需要“稳定环境”的场景中成为不可或缺的助手。

照明与显示：氖在通电时会发出明亮的橙红色光，是霓虹灯的经典材料；氩和氪则被用于填充白炽灯和荧光灯，防止灯丝氧化，延长使用寿命。

焊接与冶金：氩气作为保护气体，在焊接时覆盖熔池，隔绝空气中的氧气和氮气，确保焊缝质量。

航天与深海：氦气密度小且极不活泼，常用于填充气球、飞艇，并与氧气混合用于深海潜水呼吸气，避免氮麻醉的风险。

医疗与科研：氙气具有良好的麻醉作用，可用于医疗麻醉；氦-氖激光器在眼科手术和精密测量中有着重要应用。

半导体工业：高纯度的氖、氩、氪等气体被用于芯片制造过程中的刻蚀与清洗，是信息产业背后的“隐形功臣”。

长期以来，人们认为惰性元素完全无法参与化学反应。

但1962年，加拿大化学家巴特利特成功合成了六氟合铂酸氙，打破了“惰性元素绝对不反应”的刻板印象。

此后，氙的化合物相继被制备出来，惰性元素家族中也出现了“不惰”的成员。

这一突破不仅拓展了化学的边界，也让我们重新审视“稳定”与“活泼”之间的辩证关系。