近场定量相位成像是表征低维材料、介电混合物与生物细胞纳米级结构的强大工具，但光学系统固有的相位像差会严重降低成像质量与测量准确性。本研究提出一种基于数字全息显微复振幅测量的自适应光学校正方法，以空间光调制器作为光束整形器件，通过泽尼克模式量化波前畸变并进行预补偿，可原位、准确、快速且灵活地完成像差校正。研究团队将该方法与表面等离子体共振全息显微（SPRHM）结合，构建了自适应光学表面等离子体共振全息显微（AO-SPRHM）系统，在微结构测试样品与活细胞成像中完成有效性验证，总校正时间不足 1 秒，可支持数小时的无背景延时成像，且该方案可拓展至多种相位成像技术。

该研究由 Siqing Dai、Mengmeng Zhang、Yushan Shen、Haoyu Xu、Li Ren、Hua Lu、Jiwei Zhang、Gerd Ulrich Nienhaus、Jianlin Zhao 共同完成，论文题为《Background-free quantitative phase imaging with adaptive-optics surface plasmon resonance holographic microscopy》，于2026年发表于 《Light: Science & Application》。

重要发现
01自适应像差校正的技术原理
衰老伴随多生物学层级的代谢改变，是分子损伤、适应性应激与系统信号共同作用的复杂过程。细胞层面，衰老以线粒体功能渐进衰退、氧化还原失衡与代谢灵活性下降为核心：线粒体累积DNA 突变、丧失嵴结构完整性、呼吸效率降低，导致三磷酸腺苷生成不足与活性氧升高，损伤生物大分子；糖酵解与脂肪酸氧化通路失调，能量利用效率下降；自噬与溶酶体功能衰退造成受损分子与脂滴累积；烟酰胺腺嘌呤二核苷酸代谢紊乱进一步破坏氧化还原稳态，加剧细胞衰老进程。组织层面，衰老破坏细胞间代谢协同，改变细胞外基质生化组成；脂肪、肌肉、肝、脑等代谢活跃组织出现营养交换障碍与慢性炎症，细胞衰老通过衰老相关分泌表型向周边传递代谢异常与炎症信号。系统层面，衰老通过内分泌、免疫与神经通路重塑全身能量稳态，胰岛素抵抗、激素轴功能下降与慢性低度炎症共同降低代谢效率，昼夜节律衰退则进一步破坏多器官代谢的时间协同性，加剧能量失衡。

自适应光学表面等离子体共振全息显微镜（AO-SPRHM）的原理

在泽尼克系数求解环节，研究采用模态波前传感方案，将像差相位分解为多阶泽尼克多项式的线性组合。结合系统像差的特征分析，仅前6 阶泽尼克模式即可完整描述系统的相位畸变，引入更高阶模式反而会干扰优化过程、引入成像伪影，因此研究选取前 6 阶模式作为校正基础。研究实现了爬山法、随机并行梯度下降法、模拟退火法、粒子群优化法与遗传算法五种经典优化算法，以背景相位的绝对值均值与标准差之和作为图像评价指标，通过迭代调整泽尼克系数使该指标最小化，最终得到可完全补偿像差的相位掩模。为提升校正效率，研究对高分辨率相位图像进行降采样处理，结合低阶泽尼克模式的低频变化特性，在保证校正精度的前提下大幅缩短了优化耗时。

在自适应相位校正环节，计算得到的泽尼克相位掩模会与闪耀光栅叠加后加载至空间光调制器，后续的4f 光学系统与针孔结构会筛选衍射级次，仅保留 s 偏振光的零级衍射与 p 偏振光的一级衍射分量，从而实现物光波前的预补偿。校正后 p 偏振光以理想平面波前照射 SPR 芯片上的样品，最终重建得到无背景畸变的 SPR 相位图像。

研究通过多层SPR 模型与菲涅耳方程建立了相位值与间隙宽度的定量映射关系，可将相位图像转换为细胞黏附间隙的三维分布。横向与纵向的相位剖面对比显示，自适应校正结果与双曝光法高度吻合；综合校正速度与精度两方面表现，爬山法在五种算法中性能最优。细胞边缘区域存在的相位突变，源于层状结构模型对边缘区域的适配性不足，以及表面等离子体波的横向传播效应，该现象仅局限于细胞边界区域，不影响细胞主体区域的成像精度。在多样本测试中，自适应校正方案的整体稳健性优于传统双曝光法。

04长时程活细胞监测的性能优势
时变像差是长时程活细胞成像的核心瓶颈，机械振动、空气湍流、环境温度波动都会导致波前畸变随时间漂移，传统校正方案无法动态适配。研究以小鼠成骨前体细胞为对象，开展了长达10 小时的延时成像实验，每 20 分钟执行一次自适应像差校正。结果显示，未校正的相位图像背景随时间发生显著漂移，细胞的黏附形态特征被背景变化掩盖，完全无法开展定量分析；采用自适应校正的图像始终保持平坦均匀的背景，可清晰观察到细胞与基底相互作用减弱、逐渐脱离基底的动态过程。

作为对照的双曝光法，其校正效果随实验时长增加逐渐下降，单次采集的背景无法匹配后续的时变像差，会在细胞区域引入持续累积的相位误差，无法支撑长时程定量监测。通过黏附间隙的定量反演，实验初期细胞的平均黏附间隙为47.70±0.06 nm，10 小时后增大至 93.31±0.03 nm；研究进一步分析了细胞投影面积、黏附间隙表面积与间隙体积三个参数的动态变化规律，其中前两者随细胞黏附面积减小持续下降，间隙体积先升后降，反映了间隙拓宽与黏附面积流失的综合效应。对泽尼克系数的连续监测显示，倾斜模式的系数随时间波动最为显著，是系统时变像差的主要来源；经频谱分析，系统背景漂移的特征时间尺度约为 3700 秒，实验采用的 1200 秒校正间隔可有效捕捉漂移过程，保证长时程成像的校正精度。

活乳腺癌细胞样本的近场QPI
 

活成骨细胞的长期近场相位成像

创新与亮点
本研究突破了传统相位像差校正方案的多重局限：硬件校正方案仅能补偿特定类型的低阶像差，通用性不足；纯数值校正方案存在校正模式有限、运算速度慢、算力需求高的问题；此前常用的双曝光法需要移出样品采集背景，操作繁琐且无法应对时变像差，难以支撑长时程活细胞监测。

研究首次将自适应光学与表面等离子体共振全息显微结合，依托数字全息的复振幅测量能力，无需额外配置波前传感器等昂贵硬件，仅利用样品背景区域即可原位提取像差信息。该技术总校正时长不足1 秒，可实现动态像差的实时补偿，在细胞黏附动力学、纳米级间隙定量监测等生物医学场景中，可为无标记长时程活细胞研究提供稳定的成像工具。此外该校正策略可迁移至透射、反射、全内反射等多种数字全息显微模态，具备广泛的应用潜力。

总结与展望
自适应光学表面等离子体共振全息显微技术，实现了近场定量相位成像的原位、快速像差校正，在微结构样品与活细胞成像中均验证了优异的校正效果，可支持十小时级的无背景长时程活细胞监测。

未来该技术可拓展双波长成像能力实现多参数同步表征，同时可推广至更多相位成像技术体系；通过开发泽尼克模式自适应选择功能，可进一步提升方案在不同成像系统中的适配性与自动化程度。

doi: https://doi.org/10.1038/s41377-026-02362-x