用改进的纳秒成像技术拍摄冲击波通过单个细胞的照片

水下冲击波穿透生物细胞的观察。(A)和(B)九帧间隔为1.5 ns的STAMP影片，显示有(B)和没有(A)海拉单元的水下冲击波传播。标尺，10 μm。来源:《科学进展》(2023)。DOI: 10.1126/sciadv.adj8608

由于一种新的摄影技术，一种微小的冲击波穿过单个生物细胞的照片被拍了下来。纳秒摄影使用超快的电子相机以十亿分之一秒的速度拍摄图像。然而，图像质量和曝光时间通常是有限的。现在，由东京大学的研究人员领导的一个团队已经实现了在多个时间尺度上高速拍摄的超精细图像，他们称之为频谱电路。光谱电路弥补了光学成像和传统电子相机之间的差距，使摄影在超快的速度，更少的模糊和更高的精度。这项技术在科学、医学和工业上都有潜在的应用。在摄影中，时间可以决定一切，高速拍摄图像是一个特别的挑战。但由于摄像技术的进步，如今我们可以看到前所未有的世界。无论是赛车手额头上的汗水，俯冲的猎鹰眼中的焦点，还是纳秒摄影技术的最新进步，冲击波高速穿过微观单细胞的运动。这篇论文发表在《科学进展》杂志上。多时间尺度激光烧蚀动力学。冲击波(间隔2.0 ns，共9帧)和等离子体(平均间隔25 ps，共5帧)的传播及激光加工的进展。(间隔1 ms)。来源:《科学进展》(2023)。DOI: 10.1126 / sciadv。

东京大学精密工程系的博士生Takao Saiki解释说:“据我们所知，这是历史上第一次直接观察到生物细胞和冲击波之间的相互作用，并通过实验证明了冲击波在细胞内传播的速度比细胞外快。”“此外，我们的方法使我们能够在很宽的时间范围内展示高速摄影，包括皮秒(万亿分之一秒)、纳秒(十亿分之一秒)和毫秒(千分之一秒)时间尺度。”

在不影响细胞结构或不造成损伤的情况下捕捉细胞的清晰图像是非常具有挑战性的。为了安全地拍摄图像，研究人员开发了一种精密光学电路，一种使用光而不是电的电路，他们将其命名为光谱电路。通过光谱电路，他们创造了非破坏性的激光脉冲，他们设置在不同的时间发射。通过将这项技术与现有的单镜头光学成像技术相结合，称为顺序定时全光映射摄影(STAMP)，他们能够拍摄出比以前更高清晰度和更少模糊的一系列图像。

该团队使用相同的技术来观察激光消融对玻璃的影响。激光烧蚀对于从表面精确去除固体材料非常有用，在工业和医学上都有应用。研究人员将35飞秒长的超短激光脉冲(1飞秒等于千万亿分之一秒)聚焦在一块玻璃板上。利用光谱电路，他们观察了激光的影响，产生的冲击波，以及它在皮秒，纳秒和毫秒内对玻璃的影响。

使用超宽时间范围高速相机拍摄的激光烧蚀图像:应用这种新的成像技术，研究人员可以看到传播的冲击波和等离子体以及多个时间尺度(约10-100皮秒，约1-10纳秒，约1-100毫秒)的激光处理进展。来源:2023 Saiki et al./ CC BY NC

不到一秒:皮秒是用于超快光学成像的典型速率，而高速电子相机可以以毫秒和微秒的速率拍摄图像。研究小组的频谱电路系统弥补了这些技术之间的差距，使我们能够看到在这些时间框架之间发生了什么。来源:2023 Nicola Burghall / CC BY

“我们可以看到不同物理过程之间的相互作用，以及它们是如何形成的，”东京大学生物工程系和精密工程系的副教授Keiichi Nakagawa说。“通过观察和分析这种超快过程，我们的技术为揭示有用但未知的高速现象提供了机会。”“接下来，我们计划利用我们的成像技术来可视化细胞如何与声波相互作用，就像超声波和冲击波治疗中使用的那样。通过这样做，我们的目标是了解激活人体后续治疗效果的主要物理过程。”该团队还希望通过确定物理参数来改进激光加工技术，从而实现更快、更精确、更一致和更具成本效益的制造。“我们一直着迷于可视化理解复杂现象的力量。有机会发现和展示世界上以前被隐藏的部分，这真的吸引了我们进入这个领域。”“我们希望在生物医药、制造、材料、环境和能源等各个领域做出广泛的贡献。”