从材料到生命：瞬态吸收显微成像技术解锁微观世界新视野

在传统的研究分析方法中，时间分辨率信息往往被隐藏在激发态动力学的各个时间段的平均值中，这种做法可能会导致我们失去对过程细节的理解。为了捕捉这些细节，瞬态吸收光谱技术被开发出来，它能够在极短的时间内（飞秒级别）观察分子的变化，从而提供更精确的动态信息。

瞬态吸收光谱的优点和缺陷

尽管瞬态吸收光谱在时间分辨率上表现出色，但它在空间分辨率上存在局限。传统的瞬态吸收光谱仪无法对样品进行成像，只能提供有限体积内的光谱特征，这些特征被用来代表整个样品的特性，从而可能会丢失重要的空间信息。为了解决这个问题，瞬态吸收光谱技术与显微成像系统相结合，不仅能够提供飞秒级别的时间分辨率，还能够实现瞬态吸收成像。这样的系统能够分析样品不同区域的瞬态吸收差异，提供分子分布信息，并研究分子的状态，这在诸如缺陷检测等应用中非常有用。

然而，现有瞬态吸收成像设备的另一个主要限制是灵敏度问题，这会导致实际成像速度大大降低。为了克服这一挑战，振电科技推出了高灵敏瞬态吸收显微成像系统HyperView。采用高频调制技术显著降低了激光强度的波动噪声，这一改进使得瞬态吸收测量的灵敏度得以极大提升，达到了10^-7 O.D.的高水平。此外，实现这一高灵敏度的检测仅需要100μs 的积分时间，相比以往，这一进步使得检测灵敏度实现了数量级的飞跃，进而极大地增强了瞬态吸收成像的效率和敏感度。

振电科技的高灵敏瞬态吸收显微成像HyperView

高灵敏瞬态吸收显微成像HyperView是基于光学参量振荡器（OPO）技术的新一代高灵敏检测设备。该系统以“捕捉瞬态过程、解析微观机制” 为核心，通过两束激光脉冲（泵浦光激发样本、探测光追踪动态变化）实现对物质激发态动力学、载流子扩散、微观结构异质性的高时空分辨观测。

• 高时间分辨率：可以探测飞秒时间尺度上的超快过程

• 超高灵敏度：灵敏度可达 10^-7 O.D.，远超现有瞬态吸收设备

• 高速成像：可实现10FPS 成像速度

• 可扩展：可以结合荧光吸收光谱或PL实现更多测量功能

应用场景

在材料科学中，高灵敏瞬态吸收显微镜已被广泛应用于研究纳米材料、聚合物、钙钛矿、纳米线等的激发态动力学，揭示了材料界面性质、纳米颗粒的个体差异等，为材料的设计和应用提供了指导。在生命科学中，高灵敏瞬态吸收显微镜可进行无标记的生物成像，已成功应用于成像血红蛋白、黑色素等生物大分子，有望成为疾病诊断的有力工具。

检测石墨烯中的缺陷

超快瞬态吸收成像检测石墨烯中的缺陷

使用瞬态吸收显微镜用于检测和表征石墨烯中的缺陷。研究人员利用该技术直接可视化了石墨烯中的晶界，并观察到由于缺陷导致的载流子弛豫加速。通过线照明和平行检测，他们提高了瞬态吸收成像的速度至每秒1000帧。结合一个谐振光学延迟调制器，该系统实现了基于瞬态吸收衰减率的谱学瞬态吸收成像，速度达到每秒50帧。最后，他们展示了在0.3m/min的滚速下对石墨烯进行实时非破坏性表征，这匹配了目前最快的卷对卷制造过程。

对石墨烯进行定量层分析

瞬态吸收成像技术对石墨烯进行定量层分析的结果

瞬态吸收显微镜用于在活细胞和循环血液中快速可视化和定量分析石墨烯和氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)。该方法利用了激光器频率调制产生的高频率噪声进行信号检测，通过调整泵浦和探测激光器的功率，实现了对单层、双层和多层石墨烯的定量层析。该方法成像速度快，达到了每像素2微秒，可以应用于各种基质上的石墨烯成像，包括玻璃、硅等非透明基质。同时，该方法还可以用于活细胞和活体动物体内GO的动态跟踪。实验结果表明，该方法可以检测到低至10微克/毫升的GO浓度，并可以实时监测GO进入活细胞的过程。该研究为利用瞬态吸收成像技术研究石墨烯和GO的基本物理化学性质，以及在合成、器件制作和生物医学领域的应用提供了新的可能性。

半导体/金属碳纳米管

基于瞬态吸收的半导体/金属碳纳米管的小鼠组织成像

使用瞬态吸收显微镜来在细胞和小鼠体内成像半导电和金属碳纳米管。这种方法无需使用标签，可以在体内外实时监测碳纳米管的位置和运动。研究发现，通过调整红外激发波长，可以检测到来自半导电和金属单壁碳纳米管的瞬态吸收信号，且这两种信号具有相反的相位。这种方法可以清晰地区分来自纳米管的信号和来自红血细胞的背景信号，从而在细胞和小鼠体内实现了对半导电和金属碳纳米管的定位和追踪。该研究为更好地理解碳纳米管的生物医学应用提供了新的工具。

无标记糖化血红蛋白分析

基于快速瞬态吸收成像的无标记糖化血红蛋白分析

使用瞬态吸收显微镜和向量分析无标记定量测定单个红血细胞中糖化血红蛋白(HbA1c):使用瞬态吸收显微镜获得了Hb和HbA1c的时间域特征，发现HbA1c的激发态衰减时间常数较Hb慢。这表明HbA1c和Hb具有不同的激发态动力学。通过向量分析将激发态衰减曲线转化为相量图，获得了HbA1c的标准定量曲线。再结合已知HbA1c百分比的血液样品，可以定量单个红血细胞中的HbA1c分数。而且研究发现糖尿病患者的单个红血细胞HbA1c分数分布明显不同于健康人群，可以用于糖尿病的诊断。通过建立数学模型，可以推导出过去3个月的平均血糖浓度。这项技术提供了一种独特的方法来研究血红蛋白的糖基化过程，并可以定量单个红血细胞中的HbA1c百分比，用于糖尿病的临床诊断。

瞬态吸收成像技术正革新我们对微观世界的理解。在材料科学中，高灵敏瞬态吸收显微成像揭示了有机光伏材料的电荷传输机制，助力高效太阳能电池的设计。它也深入探索了石墨烯和二维材料的光物理性质，推动新材料的研发。生物学领域，高灵敏瞬态吸收显微成像无创地揭示细胞内色素分子的动态，助力光合作用能量转换的研究，以及药物在活细胞内的运输追踪。化学家利用高灵敏瞬态吸收显微成像捕捉快速反应的中间体，揭示反应机理。医学上，高灵敏瞬态吸收显微成像无创监测生物组织中的生化过程，为精准医疗提供新工具。高灵敏瞬态吸收显微成像以其卓越的时空分辨率，成为跨学科研究的宝贵工具，预示着更多科学突破和创新应用的到来。