地外生命探測數字全息技術發展現狀及趨勢

王 越，劉欣悅，劉欣然，崔 旭，孟浩然*

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，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化、生物活動和環境變化之間的相互作用，研究模擬環境可居住性過程，探索太陽系內外適宜人類居住的環境，促進行星管理與保護工作，了解人類在宇宙中的位置、設想地球和太空生命的未來，以及激勵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的焦點［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）與美國國家科學院、工程院和醫學部就天體生物學未來十年的發展規劃達成協議，并于秋季正式成立了探索宇宙生命的天體生物學科學戰略委員會。其主要研究目標包括：（1）概述天體生物學中的關鍵科學問題和技術挑戰，特別是與在太陽系和太陽系外行星系統中尋找生命有關的問題；（2）確定宇宙生命探索中的核心問題，并在未來20 年內取得進展；（3）討論可以由美國和國際空間任務，或正在運行與研制的地面望遠鏡進行解決的關鍵目標；（4）擴大國際間、機構間和公共/私人間的合作，以進一步研究生命的起源、演化及分布；（5）實現尋找宇宙生命跡象等任務［2］。

在地外行星生命原位探測方面，自1978 年Viking 號以來，NASA 沒有其他飛行任務試圖尋找外星生命。直到2015 年，第5 次火星登陸任務的成功，人們才發現火星表面存在液態水，并設計任務以尋找當前或過去火星上的“生命”跡象。在過去的幾年中，人們的興趣從研究火星表面轉向了疑似存在水的火星地下，以及木衛二（Europa）、木衛三（Ganymede）和土衛二（Enceladus）等行星上［3］。其中，土衛二極小的逃逸速度使它產生一個極不尋常的現象——間歇泉，即水蒸氣羽流通過土衛二冰殼裂縫，以每小時近2 000 km 的速度向太空噴射冰層顆粒，高度可達500 km。基于該現象，人類有望通過發送探測器來收集可能含有微生物的水樣并進行相關檢測［4］。

地外行星探測面臨的首要挑戰是開發一種可以在任何地球環境中檢測原核生物的方法［3］。目前，在太空任務中用于細菌識別和計數的技術和儀器十分有限，生命檢測主要有化學檢測和光學成像兩種技術手段［5］。其中，化學檢測主要通過質譜法尋找糖和氨基酸等目標有機分子，評估有機分子手性、關鍵分子目標特定的抗體陣列分布特征，標記實驗檢測目標代謝活性等，但上述化學生物標簽很難將復雜的生物與非生物化學反應清楚地區分開。觀測生命在環境中的外觀，行為，移動以及相互作用方式是解決上述問題的唯一途徑。光學顯微鏡是常用的生物檢測儀器，但大多數顯微鏡的使用需要專業的操作，并且它對振動和溫度極端敏感。此外，高分辨率顯微鏡通常體積、質量大且易碎。隨著顯微鏡技術的進步，數字全息顯微成像技術憑借其大景深，數值聚焦，能捕捉目標三維信息并且可同時進行定量振幅與相位成像等諸多優勢［6］，被認為是地外行星生命探測的理想之選［3-4］。

本文基于數字全息技術在地外生命探測場景的應用設想，總結了該領域目前的技術方法，并結合本組的初步研究進展，側面驗證了該設想的可行性，為我國未來的深空探測任務提供技術支持。

2 地外行星生命探測數字全息顯微鏡發展現狀

用于地外行星生命探測的數字全息顯微鏡研發團隊主要有加州理工學院噴氣推進實驗室的Gene Serabyn 團隊。該團隊于2015 年首次報道了“共模”離軸數字全息顯微鏡的系統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）透鏡的無透鏡數字全息顯微鏡方案［8］。接下來的5 年時間里，該團隊在上述兩種儀器的性能改進［9］、多波長概念的實現以及與熒光光場顯微鏡結合等方面進行了大量的研究工作。

2.1 “共模”離軸數字全息顯微鏡

“共模”離軸數字全息顯微鏡的原理圖、硬件模型與儀器照片如圖1 所示，重構軟件采用LynceeTec 的KOALA 軟件［7］。系統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、等效數值孔徑約0.3 的單個非球面鏡，相比傳統復合物鏡，大大降低了物鏡的成本與復雜性，同時減少了復合物鏡間前后鏡面形成的內反射，能夠達到衍射極限的成像能力；另一個口徑較大、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于系統主光軸成鏡像對稱，經管透鏡擴束后以一定夾角傳播至相機處形成離軸干涉；（2）作為管透鏡，與物鏡一起實現19.7倍的放大倍率；（3）畸變補償，當物鏡后焦距與管透鏡前焦距重合時可校正物鏡引入的二次相位畸變［10］。

圖1 “共模”離軸數字全息顯微鏡［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、雜散光的抑制，并減輕顆粒污染和湍流擾動。相比于Mach-Zehnder 光路結構，雙光束系統具有如下優點：（1）去除合束棱鏡，降低儀器體積、成本與裝調難度；（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）對系統裝調誤差或沖擊、熱彎曲引起的器件標稱位置偏差不敏感。

該團隊將整個儀器安裝于軌道上并放入冰箱，溫度設置從?11 ℃下降至?26 ℃，同時用熱電偶單獨控制樣本溫度，觀察細菌在不同溫度下的二維軌跡。如圖2 所示，細菌在+6 ℃時高度活躍；在?13 ℃時，大多數細菌不顯示運動，但少數細菌保持非常快的游動；而在?15 ℃時，只能觀測到布朗運動和輕微的樣品漂移。

圖2 嗜冷細菌運動性觀測［7］Fig.2 Observation of psychrophilic bacteria motility［7］

2016 年，Gene Serabyn 團隊前往格陵蘭島進行原位成像實驗，發現在所有樣本中，通過真核生物的外觀和運動可確定生命跡象；對于原核細胞，僅憑細胞結構無法判斷是否存在生命，需要通過加熱或使用化學試劑獲得其更多的運動特征［6］。

數字全息顯微雖然可以提供細胞形態、結構、折射率和運動的高分辨率成像信息，初步判斷其生命跡象，但無法進一步獲取其化學組成。2019 年，該團隊提出數字全息顯微鏡（Digital Ho?lographic Microscope，DHM）與熒光光場顯微鏡（Fluorescence Light-Field Microscope，FLFM）結合的雙模式生命探跡體成像系統（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 雙模式系統中，首先由數字全息顯微鏡評估樣品中細菌的生命活動，隨后樣品被自動輸送到一個混合室，在那里與細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行熒光光場顯微觀察。如果地外行星海洋世界中可能發現的細胞在化學組分上與地球上的細胞相似，那么脂類可以用來識別與細胞膜有關的結構，而核酸則可以用來追蹤細胞核［11-12］。該雙模式顯微鏡在加利福尼亞州Newport 海灘首次現場演示的結果如圖4所示［13］。

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

2019 年，Gene Serabyn 團隊在原有裝置的基礎上，實現了405，520 與638 nm 三波長照明的數字全息顯微鏡，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 值進行標記，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“共模”離軸數字全息顯微鏡［15］Fig.5 Three-wavelength common mode off-axis digital holographic microscope［15］

上述裝置通過多次現場測試證明了其在極端環境下的魯棒性。當細菌存在運動行為時，很容易判斷其生命特征；但當該生物是活的卻無法移動，則很難區分它與礦物質的區別。為了解決該問題，2020 年Gene Serabyn 團隊在多波長裝置的基礎上，修改增加了偏振測量能力，通過對參考光偏振態的獨特編碼，測量了目標的全部Stokes 參數，并進行偽彩色成像以顯示其主導偏振態，從而區分、識別靜態活細菌和晶體樣品，如圖6 所示［16］。

圖6 偏振“共模”數字全息顯微鏡［16］Fig.6 Polarization common mode digital holographic mi?croscope［16］

2.2 基于梯折透鏡無透鏡數字全息顯微鏡

與傳統Mach-Zehnder 的振幅分割方式相比，“共模”數字全息顯微鏡采用波前分割方法，利用共享的中繼透鏡進行相干合束，可以有效地提升系統穩定性并將系統尺寸減小至200 mm×115 mm［17］。但該系統依賴于光學透鏡，焦距長度仍占用了一定的物理空間。為了使系統更適應航天飛行任務，甚至海底探測任務，消除中繼透鏡以實現質量和體積的最小化仍是主要的研究問題。2016 年，Gene Serabyn團隊提出了第二套基于GRIN 透鏡的無透鏡數字全息顯微鏡方案，如圖7 所示。該方案通過采用高數值孔徑的小型GRIN 透鏡，解決了傳統無透鏡數字全息顯微成像系統中針孔難以裝調，高數值孔徑激光照明導致系統的體積較大等問 題［8，18］。成像分辨率優化后可達0.85 μm，與上述“共模”數字全息顯微鏡的分辨率相當，如圖8 所示［17，19-20］。

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

圖8 兩種數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 并行相移數字全息顯微鏡

Gene Serabyn 團隊提出的“共模”與無透鏡數字全息顯微鏡兩種方案，主要采用離軸光路分離重構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的軸向范圍，從而降低了數字全息成像系統的整體分辨率Δx。雖然增加顯微模塊后，數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，當系統分辨率達到0.61λ/NA 時，原系統分辨率越小，則顯微模塊的放大倍率越大。以無限共軛顯微模塊為例，當物鏡不變時，則其對應的管透鏡焦距則更大，間接地擴大了數字全息顯微鏡的系統體積［22］。而采用同軸光路結構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］。傳統的時域光程調制耗時久、精度低、較難實現動態成像，為了解決這些問題，2020 年中科院長春光機所孟浩然團隊提出了基于光波偏振屬性的并行相移數字全息技術［24-25］。該技術在原有系統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行物理補償，可降低數字全息顯微鏡算法的實現難度［10，26］。采用Thor?labs CPS635R 激光照明的并行相移數字全息顯微鏡的原理圖、實現裝置及性能測試結果如圖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；原系統中相機采用FLIR BFS-U3-51S5P-C 偏振相機，像素尺寸為3.45 μm×3.45 μm，整體分辨率約為9.84 μm，經顯微模塊有效放大后可達到物鏡衍射極限分辨率［25］。

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

該裝置主要應用于深海微生物原位顯微成像。為進一步縮小系統體積，2021 年孟浩然團隊提出基于保偏光纖器件的同步相移數字全息顯微鏡，光纖照明可使系統體積小于200 mm×200 mm×600 mm［27］。

4 總結與展望

地外行星生命探測具有重要的科學意義與人文價值，越來越受到重視。原位探測涉及的技術多且復雜，導致地外行星生命探測目前仍無最佳技術方案。在眾多原位檢測方法中，數字全息顯微成像技術被認為是天體生物學的理想之選。

美國加州理工學院噴氣推進實驗室Gene Serabyn 團隊是目前為數不多從事地外行星生命探測數字全息顯微成像技術研發的團隊，從2015 年至今，已提出“共模”與無透鏡數字全息顯微鏡兩種技術方案，并實現三波長、偏振測量以及與熒光顯微鏡結合等多種高級功能。但兩種方案中均采用了離軸光路結構，限制了系統分辨率，間接影響了系統體積，而采用同步相移數字全息顯微技術方案則可在保證成像質量的前提下，有效地避免上述問題。中科院長春光機所孟浩然團隊于2019 年從事該方向研究，目前已初步實現全息顯微振幅成像與定性相位成像功能，并計劃應用于深海微生物原位探測中。

低溫、低細胞濃度海洋環境下生命探測是地外行星生命探測的基礎，現有光纖耦合式并行相移數字全息顯微鏡的成功研發，有助于它在地外行星生命探測領域的應用擴展。此外，基于光波偏振屬性相移方式的數字全息顯微方案在目標偏振屬性的測量方面具有一定可行性，有望同時結合多波長與偏振測量兩種功能，熒光數字全息顯微系統也在同步研發中。為實現地外行星生命原位探測的基本技術要求，現有系統的成像功能與穩定性有待進一步優化，可參考Gene Sera?byn 團隊“共模”數字全息顯微鏡分波前合束方式，系統體積也有望進一步縮小。