地外生命探測數(shù)字全息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

王 越，劉欣悅，劉欣然，崔 旭，孟浩然*

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引言

地外行星生命探測在幫助人類理解生命起源與早期進(jìn)化、生物活動(dòng)和環(huán)境變化之間的相互作用，研究模擬環(huán)境可居住性過程，探索太陽系內(nèi)外適宜人類居住的環(huán)境，促進(jìn)行星管理與保護(hù)工作，了解人類在宇宙中的位置、設(shè)想地球和太空生命的未來，以及激勵(lì)人類探索未知世界的欲望等方面具有重要意義，并成為太陽系探索任務(wù)的焦點(diǎn)［1］。2017 年，美國國會指示美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Adminis?tration，NASA）與美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)部就天體生物學(xué)未來十年的發(fā)展規(guī)劃達(dá)成協(xié)議，并于秋季正式成立了探索宇宙生命的天體生物學(xué)科學(xué)戰(zhàn)略委員會。其主要研究目標(biāo)包括：（1）概述天體生物學(xué)中的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是與在太陽系和太陽系外行星系統(tǒng)中尋找生命有關(guān)的問題；（2）確定宇宙生命探索中的核心問題，并在未來20 年內(nèi)取得進(jìn)展；（3）討論可以由美國和國際空間任務(wù)，或正在運(yùn)行與研制的地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行解決的關(guān)鍵目標(biāo)；（4）擴(kuò)大國際間、機(jī)構(gòu)間和公共/私人間的合作，以進(jìn)一步研究生命的起源、演化及分布；（5）實(shí)現(xiàn)尋找宇宙生命跡象等任務(wù)［2］。

在地外行星生命原位探測方面，自1978 年Viking 號以來，NASA 沒有其他飛行任務(wù)試圖尋找外星生命。直到2015 年，第5 次火星登陸任務(wù)的成功，人們才發(fā)現(xiàn)火星表面存在液態(tài)水，并設(shè)計(jì)任務(wù)以尋找當(dāng)前或過去火星上的“生命”跡象。在過去的幾年中，人們的興趣從研究火星表面轉(zhuǎn)向了疑似存在水的火星地下，以及木衛(wèi)二（Europa）、木衛(wèi)三（Ganymede）和土衛(wèi)二（Enceladus）等行星上［3］。其中，土衛(wèi)二極小的逃逸速度使它產(chǎn)生一個(gè)極不尋常的現(xiàn)象——間歇泉，即水蒸氣羽流通過土衛(wèi)二冰殼裂縫，以每小時(shí)近2 000 km 的速度向太空噴射冰層顆粒，高度可達(dá)500 km?；谠摤F(xiàn)象，人類有望通過發(fā)送探測器來收集可能含有微生物的水樣并進(jìn)行相關(guān)檢測［4］。

地外行星探測面臨的首要挑戰(zhàn)是開發(fā)一種可以在任何地球環(huán)境中檢測原核生物的方法［3］。目前，在太空任務(wù)中用于細(xì)菌識別和計(jì)數(shù)的技術(shù)和儀器十分有限，生命檢測主要有化學(xué)檢測和光學(xué)成像兩種技術(shù)手段［5］。其中，化學(xué)檢測主要通過質(zhì)譜法尋找糖和氨基酸等目標(biāo)有機(jī)分子，評估有機(jī)分子手性、關(guān)鍵分子目標(biāo)特定的抗體陣列分布特征，標(biāo)記實(shí)驗(yàn)檢測目標(biāo)代謝活性等，但上述化學(xué)生物標(biāo)簽很難將復(fù)雜的生物與非生物化學(xué)反應(yīng)清楚地區(qū)分開。觀測生命在環(huán)境中的外觀，行為，移動(dòng)以及相互作用方式是解決上述問題的唯一途徑。光學(xué)顯微鏡是常用的生物檢測儀器，但大多數(shù)顯微鏡的使用需要專業(yè)的操作，并且它對振動(dòng)和溫度極端敏感。此外，高分辨率顯微鏡通常體積、質(zhì)量大且易碎。隨著顯微鏡技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字全息顯微成像技術(shù)憑借其大景深，數(shù)值聚焦，能捕捉目標(biāo)三維信息并且可同時(shí)進(jìn)行定量振幅與相位成像等諸多優(yōu)勢［6］，被認(rèn)為是地外行星生命探測的理想之選［3-4］。

本文基于數(shù)字全息技術(shù)在地外生命探測場景的應(yīng)用設(shè)想，總結(jié)了該領(lǐng)域目前的技術(shù)方法，并結(jié)合本組的初步研究進(jìn)展，側(cè)面驗(yàn)證了該設(shè)想的可行性，為我國未來的深空探測任務(wù)提供技術(shù)支持。

2 地外行星生命探測數(shù)字全息顯微鏡發(fā)展現(xiàn)狀

用于地外行星生命探測的數(shù)字全息顯微鏡研發(fā)團(tuán)隊(duì)主要有加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Gene Serabyn 團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)于2015 年首次報(bào)道了“共模”離軸數(shù)字全息顯微鏡的系統(tǒng)方案與初步性能測試［7］，并于2016 年提出了第二套基于梯折（GRIN）透鏡的無透鏡數(shù)字全息顯微鏡方案［8］。接下來的5 年時(shí)間里，該團(tuán)隊(duì)在上述兩種儀器的性能改進(jìn)［9］、多波長概念的實(shí)現(xiàn)以及與熒光光場顯微鏡結(jié)合等方面進(jìn)行了大量的研究工作。

2.1 “共?！彪x軸數(shù)字全息顯微鏡

“共?！彪x軸數(shù)字全息顯微鏡的原理圖、硬件模型與儀器照片如圖1 所示，重構(gòu)軟件采用LynceeTec 的KOALA 軟件［7］。系統(tǒng)的顯微模塊由一對非球面透鏡組成，物鏡為口徑4.7 mm、焦距7.6 mm、等效數(shù)值孔徑約0.3 的單個(gè)非球面鏡，相比傳統(tǒng)復(fù)合物鏡，大大降低了物鏡的成本與復(fù)雜性，同時(shí)減少了復(fù)合物鏡間前后鏡面形成的內(nèi)反射，能夠達(dá)到衍射極限的成像能力；另一個(gè)口徑較大、焦距為150 mm 的中繼非球面透鏡作為管透鏡，與物鏡構(gòu)成無限共軛顯微模塊。其主要功能如下：（1）作為合束透鏡，物光與平行參考光軸線關(guān)于系統(tǒng)主光軸成鏡像對稱，經(jīng)管透鏡擴(kuò)束后以一定夾角傳播至相機(jī)處形成離軸干涉；（2）作為管透鏡，與物鏡一起實(shí)現(xiàn)19.7倍的放大倍率；（3）畸變補(bǔ)償，當(dāng)物鏡后焦距與管透鏡前焦距重合時(shí)可校正物鏡引入的二次相位畸變［10］。

圖1 “共?！彪x軸數(shù)字全息顯微鏡［7］Fig.1 Common-mode off-axis digital holographic micro?scope［7］

剛性、封閉的黑色氧化外殼有助于器件的裝調(diào)、雜散光的抑制，并減輕顆粒污染和湍流擾動(dòng)。相比于Mach-Zehnder 光路結(jié)構(gòu)，雙光束系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）去除合束棱鏡，降低儀器體積、成本與裝調(diào)難度；（2）零光程差位置總在探測器中心，保證物光光路與參考光路的光程基本相同；（3）對系統(tǒng)裝調(diào)誤差或沖擊、熱彎曲引起的器件標(biāo)稱位置偏差不敏感。

該團(tuán)隊(duì)將整個(gè)儀器安裝于軌道上并放入冰箱，溫度設(shè)置從?11 ℃下降至?26 ℃，同時(shí)用熱電偶單獨(dú)控制樣本溫度，觀察細(xì)菌在不同溫度下的二維軌跡。如圖2 所示，細(xì)菌在+6 ℃時(shí)高度活躍；在?13 ℃時(shí)，大多數(shù)細(xì)菌不顯示運(yùn)動(dòng)，但少數(shù)細(xì)菌保持非?？斓挠蝿?dòng)；而在?15 ℃時(shí)，只能觀測到布朗運(yùn)動(dòng)和輕微的樣品漂移。

圖2 嗜冷細(xì)菌運(yùn)動(dòng)性觀測［7］Fig.2 Observation of psychrophilic bacteria motility［7］

2016 年，Gene Serabyn 團(tuán)隊(duì)前往格陵蘭島進(jìn)行原位成像實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在所有樣本中，通過真核生物的外觀和運(yùn)動(dòng)可確定生命跡象；對于原核細(xì)胞，僅憑細(xì)胞結(jié)構(gòu)無法判斷是否存在生命，需要通過加熱或使用化學(xué)試劑獲得其更多的運(yùn)動(dòng)特征［6］。

數(shù)字全息顯微雖然可以提供細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)、折射率和運(yùn)動(dòng)的高分辨率成像信息，初步判斷其生命跡象，但無法進(jìn)一步獲取其化學(xué)組成。2019 年，該團(tuán)隊(duì)提出數(shù)字全息顯微鏡（Digital Ho?lographic Microscope，DHM）與熒光光場顯微鏡（Fluorescence Light-Field Microscope，F(xiàn)LFM）結(jié)合的雙模式生命探跡體成像系統(tǒng)（The Extant Life Volumetric Imaging System，ELVIS），如圖3所示。

圖3 雙模式顯微鏡ELVIS［11］Fig.3 Dual-mode microscope ELVIS［11］

在ELVIS 雙模式系統(tǒng)中，首先由數(shù)字全息顯微鏡評估樣品中細(xì)菌的生命活動(dòng)，隨后樣品被自動(dòng)輸送到一個(gè)混合室，在那里與細(xì)胞膜或核酸特有的兩種染料中的一種混合，染色后送回顯微鏡樣品室進(jìn)行熒光光場顯微觀察。如果地外行星海洋世界中可能發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞在化學(xué)組分上與地球上的細(xì)胞相似，那么脂類可以用來識別與細(xì)胞膜有關(guān)的結(jié)構(gòu)，而核酸則可以用來追蹤細(xì)胞核［11-12］。該雙模式顯微鏡在加利福尼亞州Newport 海灘首次現(xiàn)場演示的結(jié)果如圖4所示［13］。

圖4 ELVIS 性能［13］Fig.4 ELVIS performance［13］

2019 年，Gene Serabyn 團(tuán)隊(duì)在原有裝置的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了405，520 與638 nm 三波長照明的數(shù)字全息顯微鏡，以減小2π 模糊對全息圖相位重建測量范圍的影響［14］。這種粗光譜編碼類似于用RGB 值進(jìn)行標(biāo)記，可以高分辨率重建生物樣本的偽彩色圖像，如圖5 所示，從而表征了新的維度［15］。

圖5 三波長“共?！彪x軸數(shù)字全息顯微鏡［15］Fig.5 Three-wavelength common mode off-axis digital holographic microscope［15］

上述裝置通過多次現(xiàn)場測試證明了其在極端環(huán)境下的魯棒性。當(dāng)細(xì)菌存在運(yùn)動(dòng)行為時(shí)，很容易判斷其生命特征；但當(dāng)該生物是活的卻無法移動(dòng)，則很難區(qū)分它與礦物質(zhì)的區(qū)別。為了解決該問題，2020 年Gene Serabyn 團(tuán)隊(duì)在多波長裝置的基礎(chǔ)上，修改增加了偏振測量能力，通過對參考光偏振態(tài)的獨(dú)特編碼，測量了目標(biāo)的全部Stokes 參數(shù)，并進(jìn)行偽彩色成像以顯示其主導(dǎo)偏振態(tài)，從而區(qū)分、識別靜態(tài)活細(xì)菌和晶體樣品，如圖6 所示［16］。

圖6 偏振“共?！睌?shù)字全息顯微鏡［16］Fig.6 Polarization common mode digital holographic mi?croscope［16］

2.2 基于梯折透鏡無透鏡數(shù)字全息顯微鏡

與傳統(tǒng)Mach-Zehnder 的振幅分割方式相比，“共?！睌?shù)字全息顯微鏡采用波前分割方法，利用共享的中繼透鏡進(jìn)行相干合束，可以有效地提升系統(tǒng)穩(wěn)定性并將系統(tǒng)尺寸減小至200 mm×115 mm［17］。但該系統(tǒng)依賴于光學(xué)透鏡，焦距長度仍占用了一定的物理空間。為了使系統(tǒng)更適應(yīng)航天飛行任務(wù)，甚至海底探測任務(wù)，消除中繼透鏡以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和體積的最小化仍是主要的研究問題。2016 年，Gene Serabyn團(tuán)隊(duì)提出了第二套基于GRIN 透鏡的無透鏡數(shù)字全息顯微鏡方案，如圖7 所示。該方案通過采用高數(shù)值孔徑的小型GRIN 透鏡，解決了傳統(tǒng)無透鏡數(shù)字全息顯微成像系統(tǒng)中針孔難以裝調(diào)，高數(shù)值孔徑激光照明導(dǎo)致系統(tǒng)的體積較大等問 題［8，18］。成像分辨率優(yōu)化后可達(dá)0.85 μm，與上述“共?！睌?shù)字全息顯微鏡的分辨率相當(dāng)，如圖8 所示［17，19-20］。

圖7 基于GRIN 透鏡的無透鏡數(shù)字全息顯微鏡［21］Fig.7 Lensless digital holographic microscope based on GRIN lens［21］

圖8 兩種數(shù)字全息顯微鏡方案的分辨率對比［17］Fig.8 Resolution comparison of two digital holographic microscope schemes［17］

3 并行相移數(shù)字全息顯微鏡

Gene Serabyn 團(tuán)隊(duì)提出的“共模”與無透鏡數(shù)字全息顯微鏡兩種方案，主要采用離軸光路分離重構(gòu)圖像中的直流分量與孿生像，因此物光與參考光路方向間的夾角需大于直流分量與孿生像分離的臨界角。由于探測器的采樣頻率有限，上述臨界角限制了觀測目標(biāo)的軸向范圍，從而降低了數(shù)字全息成像系統(tǒng)的整體分辨率Δx。雖然增加顯微模塊后，數(shù)字全息顯微鏡的分辨率取決于顯微模塊分辨率0.61λ/NA 與系統(tǒng)分辨率除以顯微模塊放大倍率Δx/M兩者間的最大值，且通常為顯微模塊的分辨率。然而，當(dāng)系統(tǒng)分辨率達(dá)到0.61λ/NA 時(shí)，原系統(tǒng)分辨率越小，則顯微模塊的放大倍率越大。以無限共軛顯微模塊為例，當(dāng)物鏡不變時(shí)，則其對應(yīng)的管透鏡焦距則更大，間接地?cái)U(kuò)大了數(shù)字全息顯微鏡的系統(tǒng)體積［22］。而采用同軸光路結(jié)構(gòu)雖然可以避免上述問題，但需相移方法抑制直流分量與孿生像的影響［23］。傳統(tǒng)的時(shí)域光程調(diào)制耗時(shí)久、精度低、較難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)成像，為了解決這些問題，2020 年中科院長春光機(jī)所孟浩然團(tuán)隊(duì)提出了基于光波偏振屬性的并行相移數(shù)字全息技術(shù)［24-25］。該技術(shù)在原有系統(tǒng)上增加無限共軛顯微模塊，利用其中管透鏡對物鏡引入的二次位相畸變進(jìn)行物理補(bǔ)償，可降低數(shù)字全息顯微鏡算法的實(shí)現(xiàn)難度［10，26］。采用Thor?labs CPS635R 激光照明的并行相移數(shù)字全息顯微鏡的原理圖、實(shí)現(xiàn)裝置及性能測試結(jié)果如圖9所示。其中，顯微模塊由10×無限共軛顯微物鏡（NA=0.25，EA=9 mm）與焦長100 mm 的平凸透鏡組成，分辨率約為1.55 μm，放大倍率約為11.1 倍；原系統(tǒng)中相機(jī)采用FLIR BFS-U3-51S5P-C 偏振相機(jī)，像素尺寸為3.45 μm×3.45 μm，整體分辨率約為9.84 μm，經(jīng)顯微模塊有效放大后可達(dá)到物鏡衍射極限分辨率［25］。

圖9 并行相移數(shù)字全息顯微鏡的成像結(jié)果Fig.9 Imaging results of parallel phase-shift digital holo?graphic microscope

該裝置主要應(yīng)用于深海微生物原位顯微成像。為進(jìn)一步縮小系統(tǒng)體積，2021 年孟浩然團(tuán)隊(duì)提出基于保偏光纖器件的同步相移數(shù)字全息顯微鏡，光纖照明可使系統(tǒng)體積小于200 mm×200 mm×600 mm［27］。

4 總結(jié)與展望

地外行星生命探測具有重要的科學(xué)意義與人文價(jià)值，越來越受到重視。原位探測涉及的技術(shù)多且復(fù)雜，導(dǎo)致地外行星生命探測目前仍無最佳技術(shù)方案。在眾多原位檢測方法中，數(shù)字全息顯微成像技術(shù)被認(rèn)為是天體生物學(xué)的理想之選。

美國加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室Gene Serabyn 團(tuán)隊(duì)是目前為數(shù)不多從事地外行星生命探測數(shù)字全息顯微成像技術(shù)研發(fā)的團(tuán)隊(duì)，從2015 年至今，已提出“共?！迸c無透鏡數(shù)字全息顯微鏡兩種技術(shù)方案，并實(shí)現(xiàn)三波長、偏振測量以及與熒光顯微鏡結(jié)合等多種高級功能。但兩種方案中均采用了離軸光路結(jié)構(gòu)，限制了系統(tǒng)分辨率，間接影響了系統(tǒng)體積，而采用同步相移數(shù)字全息顯微技術(shù)方案則可在保證成像質(zhì)量的前提下，有效地避免上述問題。中科院長春光機(jī)所孟浩然團(tuán)隊(duì)于2019 年從事該方向研究，目前已初步實(shí)現(xiàn)全息顯微振幅成像與定性相位成像功能，并計(jì)劃應(yīng)用于深海微生物原位探測中。

低溫、低細(xì)胞濃度海洋環(huán)境下生命探測是地外行星生命探測的基礎(chǔ)，現(xiàn)有光纖耦合式并行相移數(shù)字全息顯微鏡的成功研發(fā)，有助于它在地外行星生命探測領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展。此外，基于光波偏振屬性相移方式的數(shù)字全息顯微方案在目標(biāo)偏振屬性的測量方面具有一定可行性，有望同時(shí)結(jié)合多波長與偏振測量兩種功能，熒光數(shù)字全息顯微系統(tǒng)也在同步研發(fā)中。為實(shí)現(xiàn)地外行星生命原位探測的基本技術(shù)要求，現(xiàn)有系統(tǒng)的成像功能與穩(wěn)定性有待進(jìn)一步優(yōu)化，可參考Gene Sera?byn 團(tuán)隊(duì)“共模”數(shù)字全息顯微鏡分波前合束方式，系統(tǒng)體積也有望進(jìn)一步縮小。