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新显微镜技术,将活细胞观察灵敏度提高了7倍

【字体: 时间:2021年01月05日 来源:

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  新的一年,光学物理学家将活细胞显微镜观察灵敏度提高了7倍,无需添加荧光剂或荧光染料。

2020档案已封存,2021的篇章正在书写。新的一年,光学物理学家将活细胞显微镜观察灵敏度提高了7倍,无需添加荧光剂或荧光染料。

由于单个细胞几乎是半透明的,显微镜摄像机必须检测通过细胞各部分的光线中极其细微的差别。这些差异被称为光的相位。相机图像传感器受到它们能检测到的光相位差的限制,称为动态范围。

东京大学光子科学技术研究所的副教授Takuro Ideguchi说:“要用同一个图像传感器看到更多细节,我们必须扩大动态范围,这样才能探测到较小的光相位变化。”

研究小组开发了一种技术,通过两次曝光分别测量光相位的大小变化,然后将它们无缝地连接起来,形成一幅非常详细的最终图像。他们将他们的方法命名为自适应动态范围偏移定量相位成像(ADRIFT-QPI),2021年1月的《Light: Science & Applications》杂志发表了他们的研究成果。

这是一个好消息。Ideguchi说:“我们的ADRIFT-QPI方法不需要特殊的激光、特殊的显微镜或图像传感器,我们的活细胞,不需要任何染色或荧光,光毒性的可能性非常小。”光毒性会杀死细胞,这也是荧光成像的一个诟病。

定量相位成像是将一个平面的光脉冲发送至细胞,然后统一测量光波通过细胞后的相移,计算机分析然后重建细胞内主要结构的图像。Ideguchi和他的合作者之前已经开创了其他方法来增强定量相位显微镜。

定量相位成像是检查单个细胞的有力工具,它能根据光波的变化跟踪细胞的生长速度。然而,由于图像传感器的饱和能力较低,该技术的定量方面具有较低的灵敏度,因此用常规方法不可能跟踪细胞内和周围的纳米颗粒。

而新的ADRIFT-QPI方法克服了定量相位成像的动态范围限制。在ADRIFT-QPI过程中,相机进行两次曝光,生成的最终图像的灵敏度是传统定量相位显微镜图像的七倍。

第一次曝光是通过传统的定量相位成像产生的——一片平的光被脉冲射向样品,并且在光通过样品后测量其相移。计算机图像分析程序在第一次曝光的基础上生成样品的图像,然后快速设计一个能反映样品图像的光波阵面。一个单独的组件称为波前整形设备,然后产生这种“光雕塑”与更高强度的光更强的照明和脉冲它对样品进行第二次曝光。

如果第一次曝光产生的图像是样品的完美表现,那么第二次曝光的定制雕刻光波将在不同的阶段进入样品,穿过样品,然后以平板光的形式出现,使相机只能看到一个黑暗的图像。

“有趣的是:我们抹掉了样本的图像。我们取消了大的结构,这样我们就可以看到小的非常详细,”Ideguchi解释说。

在现实中,第一次曝光是不完美的,所以雕塑光波出现微妙的相位偏差。

第二次曝光揭示了微小的光相位差,这些光相位差在第一次曝光中被较大的差异“冲掉”。由于在第二次曝光中使用了更强的照明,这些剩余的微小光相位差就拥有了更高的灵敏度。

附加的计算机分析重建了样品的最终图像,并根据两个测量结果扩展了动态范围。在概念验证演示中,研究人员估计ADRIFT-QPI产生的图像的灵敏度是传统定量相位成像的7倍。

Ideguchi说,ADRIFT-QPI的真正好处是它能够在整个活细胞中看到微小颗粒,而不需要任何标签或污染。

Ideguchi说:“例如,可以检测到病毒等纳米级粒子或细胞内外移动的粒子发出的小信号,从而可以同时观察它们的行为和细胞状态。”

原文检索:Adaptive dynamic range shift (ADRIFT) quantitative phase imaging

(生物通:伍松)

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