新型活細(xì)胞組織全息定量相位顯微鏡技術(shù)及應(yīng)用簡(jiǎn)要介紹

梯度光干涉顯微鏡 GLIM
Gradient Light Interference Microscopy

    KOSTER & PHIOPTICS梯度光干涉顯微鏡 GLIM系統(tǒng)是一種無(wú)需標(biāo)記的用于厚組織樣品的三維定量斷層成像技術(shù)。由美國(guó)伊利諾伊大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)教授蓋布利爾·波佩斯庫(kù)（Dr. Gabriel Popescu)開(kāi)發(fā)并申請(qǐng)專利，GLIM技術(shù)能夠解決厚組織樣品的多重散射問(wèn)題，從而提供高對(duì)比度的樣品圖像。此模塊可以做為外加設(shè)備安裝到主要品牌的顯微鏡設(shè)備上，包括KOSTER顯微鏡系統(tǒng)，而且可以與熒光成像通道疊加，只需要外光光源及標(biāo)準(zhǔn)的C型接口即可使用，非常方便。歡迎聯(lián)系廣州科適特科學(xué)儀器有限公司了解和預(yù)約演示。

    技術(shù)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)：蓋布利爾·波佩斯庫(kù)（Dr. Gabriel Popescu)課題組，實(shí)驗(yàn)室：美國(guó)伊利諾伊大學(xué)生物工程系、電氣與計(jì)算機(jī)工程系、物理系、細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)系 伊利諾伊大學(xué)微納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 先進(jìn)科技研究所定量光成像實(shí)驗(yàn)室 貝勒醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系

KOSTER & PHIOPTICS梯度光干涉顯微鏡系統(tǒng)是一種無(wú)需標(biāo)記的用于厚組織樣品的三維定量斷層成像技術(shù)。GLIM技術(shù)能夠解決厚組織樣品的多重散射問(wèn)題，從而提供高對(duì)比度的樣品圖像。此模塊可以做為外加設(shè)備安裝到主要品牌的顯微鏡設(shè)備上，包括KOSTER顯微鏡系統(tǒng)，而且可以與熒光成像通道疊加，只需要外光光源及標(biāo)準(zhǔn)的C型接口即可使用，非常方便。 廣州科適特科學(xué)儀器有限公司是本產(chǎn)品的授權(quán)代理，可提供定制及售后服務(wù)。梯度光干涉顯微鏡系統(tǒng)是一種無(wú)像差的光學(xué)裝置，適用任何有1 ×視頻接口的顯微鏡，包括明場(chǎng)，熒光，寬場(chǎng)顯微鏡等，無(wú)需額外的附件或顯微鏡改造，都能立刻轉(zhuǎn)變成強(qiáng)大的3D圖像平臺(tái)。

簡(jiǎn)要介紹：

1.有別于相差顯微鏡， 數(shù)字全息顯微鏡是基于獨(dú)特的相移顯微原理。光波在經(jīng)過(guò)物體表面反射或者透過(guò)物體之后，受物體表面形貌或者是物體內(nèi)部不同物質(zhì)折射率的影響而產(chǎn)生相移，這樣就攜帶上了物體的三維特征。

2.顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)三維形貌的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，得益于它非掃描機(jī)制。抓取單張全息圖的時(shí)間是由相機(jī)的快門速度決定的，因此數(shù)字全息顯微鏡能夠輕松實(shí)現(xiàn)普通視頻速率，比如30幀/秒。

 

3. 透明樣品，比如說(shuō)細(xì)胞，利用傳統(tǒng)的相襯顯微鏡只能進(jìn)行觀測(cè)。透射式的數(shù)字全息顯微鏡記錄光在經(jīng)過(guò)細(xì)胞之后的相移信息，不僅能觀測(cè)細(xì)胞，還能進(jìn)行三維重建和量化分析，因此也被稱為量化相襯顯微法。細(xì)胞中的相移是由細(xì)胞內(nèi)不同組織細(xì)微折射率的變化引起的，因此數(shù)字全息顯微鏡觀測(cè)細(xì)胞無(wú)須對(duì)細(xì)胞進(jìn)行任何標(biāo)記，比如熒光染色，納米顆粒或是輻射，這樣不會(huì)對(duì)被觀測(cè)細(xì)胞造成任何損傷或是外在影響。

4.  獨(dú)特光路設(shè)計(jì)，和其他干涉技術(shù)一樣，數(shù)字全息顯微鏡產(chǎn)生干涉的前提是兩束光的光程差要小于相干長(zhǎng)度。由于觀測(cè)不同大小物體需要使用不同放大倍數(shù)的物鏡，因此物光O的光程會(huì)因此改變。數(shù)字全息顯微鏡能根據(jù)不同物鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)參考光R的光程，使得兩束光的光程差總是符合產(chǎn)生干涉的條件，這種設(shè)計(jì)也使得各物鏡下達(dá)到共焦的效果。

 

5.  與共聚焦(Confocal Microscope)的比較 全息定量相位顯微鏡采用非掃描 (non-scanning) 技術(shù)，全視場(chǎng)瞬態(tài)成像四維量測(cè)，單幀全息圖包含三維形貌信息，縱向亞納米測(cè)量精度由激光本征波長(zhǎng)決定，使用普通顯微物鏡便于維護(hù)保養(yǎng)，共聚焦顯微鏡(Confocal Microscope)同樣采用掃描技術(shù)測(cè)量靜態(tài)三維形貌，單張測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)因此也無(wú)法實(shí)現(xiàn)四維形貌測(cè)試。

 

6. 無(wú)標(biāo)記生物細(xì)胞觀測(cè)，得益于數(shù)字全息顯微鏡對(duì)生物細(xì)胞非侵入式的視覺(jué)化量化分析能力，多種在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注。例如圖5所示，數(shù)字全息顯微鏡可以測(cè)量單個(gè)血紅細(xì)胞的三維形貌，由于無(wú)需掃描，測(cè)量過(guò)程是實(shí)時(shí)的，因此也可以對(duì)多細(xì)胞進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤分析。下圖展示了數(shù)字全息顯微鏡對(duì)酵母菌的動(dòng)態(tài)跟蹤，可以三維實(shí)時(shí)觀測(cè)酵母菌的移動(dòng)和細(xì)胞分裂

 

7.  無(wú)標(biāo)記細(xì)胞成像和分析工具為研究人員提供了開(kāi)創(chuàng)性的新方法來(lái)研究單個(gè)細(xì)胞水平的細(xì)胞形態(tài)和動(dòng)態(tài)行為。它們以無(wú)與倫比的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性追蹤單個(gè)細(xì)胞，而且無(wú)需標(biāo)記，能夠持續(xù)數(shù)小時(shí)到數(shù)天而不傷害細(xì)胞。

 

 

主要特點(diǎn)：

1. 無(wú)需樣品準(zhǔn)備，非侵入式成像，避免樣品染色對(duì)細(xì)胞的損傷。
2. 適合樣品厚度從50 µm – 350 µm+
3. 定量測(cè)量: 樣品厚度和干重
4. 無(wú)需樣品標(biāo)記，能夠連續(xù)成像從毫秒到幾天
5. 能夠跟現(xiàn)有的顯微鏡系統(tǒng)整合在一起
6. 可進(jìn)行編程的4D (tiling, z-scan, time series)掃描和全分辨率情況下12幀/秒的圖像獲取
7. 多通道圖像的無(wú)縫疊加，包括熒光通道的疊加
8.  ImageJ-基礎(chǔ)的工具套裝進(jìn)行測(cè)量和3D 圖像重構(gòu)
 

典型應(yīng)用

1. 腦組織及腦片成像
2. 器官及組織的三維成像
3. 發(fā)育生物學(xué)，胚胎研究
4. 模式動(dòng)物研究 ( 蠕蟲(chóng), 斑馬魚(yú)，果蠅等)

應(yīng)用介紹舉例： 無(wú)標(biāo)記生物細(xì)胞觀測(cè)
得益于數(shù)字全息顯微鏡對(duì)生物細(xì)胞非侵入式的視覺(jué)化量化分析能力，多種在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注。例如圖5所示，數(shù)字全息顯微鏡可以測(cè)量單個(gè)血紅細(xì)胞的三維形貌，由于無(wú)需掃描，測(cè)量過(guò)程是實(shí)時(shí)的，因此也可以對(duì)多細(xì)胞進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤分析。下圖展示了數(shù)字全息顯微鏡對(duì)酵母菌的動(dòng)態(tài)跟蹤，可以三維實(shí)時(shí)觀測(cè)酵母菌的移動(dòng)和細(xì)胞分裂

參考文獻(xiàn)
[1] g. popescu (2011) quantitative phase imaging of cells and tissues (mcgrow-hill, new york)
[2] t. kim, r. zhou, m. mir, s. d. babacan, p. s. carney, l. l. goddard and g. popescu, nature photonics, 8, 256-263 (2014)
[3] m. mir, s. d. babacan, m. bednarz, m. n. do, i. golding and g. popescu, plos one, 7 (6), e38916 (2012)