《Science Advances》发现：0.8秒高速红外影像图谱实现精确病理诊断
2025-07-14 来源:本站 点击次数:282核心突破者David Knez与Dmitry A. Fishman领衔的研究团队在顶级期刊《Science Advances》发表题为《Spectral imaging at high definition and high speed in the mid-infrared》的突破性论文，通过实验证明该技术可在32毫秒内区分聚合物化学成分，颠覆了传统中红外检测依赖液氮冷却、机械扫描的技术范式。
重要发现
01啁啾脉冲实现光谱-时间编码
研究团队利用15厘米硅棒将40飞秒中红外脉冲拉伸至4.5皮秒（图1C-D），使不同频率光按线性序列抵达探测器。当脉冲穿过7微米聚苯乙烯薄膜时，其分子振动吸收特征（如2923cm⁻¹的C-H键）被编码为时间域强度波动（图3D）。通过116飞秒近红外门控脉冲扫描时间延迟，直接读取光谱信息，规避了传统傅里叶变换的复杂重建流程。
关键验证：对比啁啾/非啁啾脉冲响应（图3B/D），证明线性啁啾下时间信号与吸收光谱误差<5%（图3E/F），频率-时间转换率达0.072cm⁻¹/fs。
02百万像素相机并行探测实验采用1.3百万像素InGaAs相机（1280×1024），以16毫秒/帧速率捕获宽场图像（图2）。中红外光（3.33μm）与门控脉冲（1900nm）在相机芯片发生非简并双光子吸收，将中红外光子转化为可见信号。该设计突破汞镉碲（MCT）探测器像素限制，单帧覆盖面积较传统128×128阵列提升80倍。
灵敏度突破：单像素接收5飞焦中红外能量（约1.5×10⁴光子），未来千赫兹系统可进一步降至阿焦（10⁻¹⁸J）级。
03秒级构建化学空间分布对PMMA/聚苯乙烯双层膜成像时（图4），通过扫描时间延迟获取2823–3025cm⁻¹范围光谱数据立方体。选取2923cm⁻¹（聚苯乙烯吸收峰）与2950cm⁻¹（PMMA吸收峰）生成双通道图像（图5B/D），仅用32毫秒即实现两种聚合物的空间区分。类似策略应用于乙醇、硅油等样本（图6），清晰呈现化学分布异质性。
速度碾压：传统量子级联激光（QCL）扫描需3秒（128×128像素），CP-NTA在0.8秒内完成百万像素级采集。
创新与亮点
01攻克百年技术瓶颈
速度革命：将宽谱成像从分钟级压缩至亚秒级，较现有最快技术提速60倍
像素飞跃：突破红外探测器低像素密度（≤16k像素）限制，实现百万像素高清成像
零重建成本：规避傅里叶变换算法需求，原始数据直接可视化
实时病理诊断：术中0.8秒获取组织化学图谱，替代30分钟冷冻切片
工业在线质检：生产线秒级监测聚合物分层、药品结晶过程
环境动态追踪：无人机载系统实时绘制污染物扩散热力图
极弱光探测：未来系统可检测单细胞代谢产物的痕量信号
成本颠覆：无需液氮冷却装置，相机芯片兼容常温操作，系统成本降低70%
总结与展望
CP-NTA技术通过啁啾脉冲时频映射与非简并双光子探测的创新融合，首次实现中红外光谱成像在速度、精度、易用性三维突破。其亚秒级百万像素采集能力，为化学与生物过程的原位动态观测提供全新范式。
未来升级路径已明确：
帧率突破：通过激光-相机同步将采集速率从62.5Hz提升至100Hz
延迟线革新：采用声光调制实现>20Hz光谱扫描（现为1Hz）
芯片优化：开发无保护窗InGaAs相机，提升中红外透射率300%
多模态扩展：结合相干拉曼散射实现振动光谱全覆盖
论文通讯作者Fishman预言：“这项技术将中红外成像推进到视频级时代，人类即将看到化学反应在分子尺度的实时电影。”当化学成像突破时间枷锁，我们对物质世界的认知将迈入全新纪元。
声明：本文仅用作学术目的。
Knez D, Toulson BW, Chen A, Ettenberg MH, Nguyen H, Potma EO, Fishman DA. Spectral imaging at high definition and high speed in the mid-infrared. Sci Adv. 2022 Nov 18;8(46):eade4247.
DOI:10.1126/sciadv.ade4247.