针对传统光声显微成像景深不足、难以直接观测三维活体脑类器官神经黑色素的缺陷，团队研发了基于二氧化钛纳米柱的轴向多焦点超透镜，构建无荧光标记、无需轴向扫描的长景深光声成像系统。该超透镜可生成长径比286、光强均匀的衍射受限延伸光束，在倾斜样品成像中性能优于传统折射透镜，能够对人源前脑、中脑类器官内部最深500微米处的神经黑色素完成三维体积成像，为神经退行性疾病检测与药物筛选提供小型化光学成像平台。

本文全部作者：Aleksandr Barulin, Elena Barulina, Dong Kyo Oh, Yongjae Jo, Hyemi Park, Soomin Park, Hyunjun Kye, Jeesu Kim, Jinhee Yoo, Junhyung Kim, Gyusoo Bak, Yangkyu Kim, Hyunjung Kang, Yujin Park, Jong-Chan Park, Junsuk Rho, Byullee Park, Inki Kim；论文完整标题为《Axially multifocal metalens for 3D volumetric photoacoustic imaging of neuromelanin in live brain organoid》，发表于《Science Advances》。

重要发现
01轴向多焦点超透镜设计理论与仿真优化
研究选取532nm为工作波长，设计数值孔径0.15、直径1毫米的透射式超透镜，透镜单元为亚微米厚度二氧化钛纳米柱。透镜光场由沿光轴均匀分布的60个焦点组合而成，相邻焦点基础间距10微米，引入优化参数V调控远端焦点间距，经仿真确定V取15纳米时景深内光强梯度均匀。

PAM的金属透镜设计与拉长的自由度

光场相位由两部分叠加，基础相位为标准会聚透镜相位，叠加多焦点偏移相位矩阵。研究采用随机分配方式将每一个超构原子对应至单一焦点，规避环形、扇形分区设计带来的光栅干涉与光强波纹；引入调节系数A控制焦点间干涉效应，经仿真确定A=0.14可同时实现接近衍射极限的光束直径与9%旁瓣强度，显著低于同长度贝塞尔光束16%的旁瓣水平。透镜生成光束轴向半高宽580微米，景深长度为同等数值孔径传统单焦点透镜的13.5倍，横向分辨率稳定维持2.03微米。

金属透镜点扩散函数的实验表征

搭建透射式光学表征平台对透镜点扩散函数测试，沿光轴以2微米间隔采集360组横向光斑图像，景深500微米范围内光强标准差低于5%，光束直径无明显扩张；透镜聚焦效率20%，高于贝塞尔光束5%的能量利用率，散射背景噪声仅在透镜近表面区域存在，有效成像区间内噪声可忽略。

幻象样品拉长DOF PA成像

碳纤维倾斜模体成像结果显示，超透镜景深580微米，分别为非球面透镜的3.8倍、物镜的27.1倍；对于4°45′与9°30′双倾斜碳纤维，超透镜单次平面扫描即可完整成像，有效成像轴向长度分别为非球面透镜的2.6倍、物镜的6.3倍。碳叶片模体具备对角轴向高度梯度，传统透镜仅能在极小区域获得清晰信号，超透镜可在3毫米视场内完整分辨全部纤维结构，同步解码各位置深度信息。

采用轴向多焦点超透镜对含黑色素前脑和中脑类器官中的神经黑色素进行光声体积成像

光声最大振幅投影成像可完整呈现类器官内部黑色素分布，景深编码图像以色彩区分不同深度信号，截面成像可捕捉最深500微米处的黑色素颗粒；常规明场显微镜仅能分辨表层色素，组织深层信号完全模糊。免疫组化结果验证光声信号来源为神经黑色素，成像信噪比超过43dB。

利用MeD-PAM对多种含黑色素的前脑和中脑类器官进行神经黑色素含量表征

定量分析以背景噪声三倍标准差为阈值统计有效光声像素，132天成熟中脑类器官黑色素含量为150天前脑类器官的3.4倍；追踪150天、170天、216天三组成熟前脑类器官，黑色素积累量随培养时长持续上升，系统可无损伤、动态监测活体类器官黑色素生成全过程。

创新与亮点
现有长景深光声成像方案存在装置体积大、后处理繁琐、光束旁瓣高、光强分布不均等缺陷，贝塞尔光束、衍射光学元件均无法兼顾紧凑性与均匀激发效果。本文首次实验验证轴向多焦点超透镜用于长景深光声显微成像，单片平面器件无需搭配物镜，系统尺寸大幅缩减；光束旁瓣更低、全景深光强波动小于5%，无需复杂图像去卷积即可还原样品真实三维分布。

生物成像层面，该无标记成像技术突破明场显微镜100微米成像深度限制，在活体脑类器官中实现500微米深层三维成像，可定量表征黑色素积累水平。帕金森病病理与多巴胺能神经元、神经黑色素损耗直接相关，该小型化成像平台可用于活体类器官病理动态观测、神经保护药物高通量筛选，同时可拓展至血管、肿瘤等其他吸收型生物标志物的多光谱光声检测。

总结与展望
本文设计并制备二氧化钛轴向多焦点超透镜，构建紧凑型长景深光声成像系统，解决传统光声显微镜景深不足、凹凸样品需多次轴向扫描的痛点。该器件生成均匀低旁瓣延伸光束，模体与活体脑类器官实验证明其可稳定维持微米级横向分辨率，实现最深500微米无标记三维神经黑色素定量成像，适配帕金森病体外模型研究。

doi: 10.1126/sciadv.adr0654