據中國科學報 刁雯蕙，于2025年10月17日報道，近日，哈爾濱工業大學深圳校區教授張永兵與深圳灣實驗室研究員侯尚國合作，在三維目標鎖定單分子光譜動態成像顯微技術（3D-SpecDIM）領域取得重要研究進展，相關成果發表于《自然-通訊》上。
在復雜的生命世界里，每一個分子或在細胞膜間游走，或在細胞器中穿梭，其運動軌跡往往記錄著生命活動的關鍵線索。然而，傳統成像方法只能得到成千上萬個分子的平均信號，就像把無數人說的話混在一起，最后只能聽到嘈雜的“背景音”。單分子動態研究則像是給每個分子都裝上一臺“攝像機”，讓研究人員能夠實時追蹤它們的運動軌跡、停留時間和環境變化。這些細節往往是理解生命基本規律、揭示疾病發生機制、乃至設計新型藥物的關鍵。
然而，想要在單分子層面同時“看清”位置和環境并非易事。分子往往高速運動，光子數又極為有限，傳統方法要么只能追蹤分子的位置，卻丟失了微環境的理化信息，要么只能獲取光譜，卻無法保證快速運動中分子軌跡的連續性。
為了解決這一挑戰，研究人員創新性地將三維主動反饋追蹤與高速光譜檢測結合，發展出新一代成像方法 3D-SpecDIM。該方法不僅能以毫秒級時間分辨率和納米級空間分辨率記錄單分子的三維運動，還能同步解析其光譜隨環境變化的細節，為揭示如線粒體自噬和細胞凋亡等復雜生命過程提供了全新視角。
為驗證該方法的性能，團隊首先對 3D-SpecDIM進行系統性能表征。通過對水溶液中自由擴散的熒光微球進行示蹤，結合深度學習的光譜定位算法，系統最高可以達到 0.3納米的光譜峰值定位精度，比傳統方法提高 30% 以上。對于光譜靈敏度，3D-SpecDIM成功實現在90%的甘油溶液中對單個染料分子的自由擴散光譜動態長達數秒的觀測。在示蹤時間分辨率方面，對于高亮度樣本，3D-SpecDIM可實現納米級的定位精度與毫秒級的時間分辨率，保證對高速運動分子的連續追蹤。
同時，研究人員在使用 3D-SpecDIM監測線粒體自噬過程時發現，當溶酶體逐漸向受損線粒體靠近并發生融合時，受損線粒體的酸堿值發生明顯的下降。借助光譜解混技術，3D-SpecDIM可精準地還原為可量化的自噬過程酸堿值變化曲線，首次實現在單個線粒體水平上對自噬過程酸堿值變化的實時定量全流程監測。
此外，在細胞膜凋亡起泡實驗中，該方法首次同步捕捉到膜極性的動態下降與膜形態的變化，兩者之間的速率呈一定相關性。這些應用展示了3D-SpecDIM在多維動態成像中的獨特優勢，也為深入理解細胞內關鍵生命事件提供了全新的研究工具。
