KOSTER活细胞全息定量相位显微镜

空间光干涉显微镜
（Spatial Light Interference Microscopy，SLIM）

       空间光干涉显微技术是近年来发展出的一种新型成像技术，由美国伊利诺伊大学电子与计算机工程学教授盖布利尔·波佩斯库（Dr. Gabriel Popescu)开发并申请专利，可以通过光来定量测量所有类型的细胞，并且保证获得信息的精确性。空间光干涉显微技术，可以通过光来定量。空间光干涉显微技术（Spatial Light Interference Microscopy，SLIM）的成像方法。这种方法能够通过两束光线来测量细胞质量，从而为有关细胞是以固定速率还是指数方式增长的学术争论提供新视角。

        空间光干涉显微技术灵敏度非常高，在质量测量上达到了飞克（10克）级，而微米尺寸的小水滴重约为1000飞克。用这一技术可以测量单细胞的增长，甚至是细胞内的质量变化；不过，显然它的应用范围将是非常广泛，而不仅限于细胞。“与其他显微技术相比，SLIM一个明显的优势是，我们可以测量所有类型的细胞——细菌﹑哺乳动物细胞﹑粘连细胞﹑非粘连细胞﹑单个细胞以及细胞群，并且保证获得信息的精确性。”不同于其他细胞成像技术，SLIM作为相衬显微技术和全息成像术的结合体，不需要进行细胞染色等特别的前期准备。由于这一技术无须进入细胞，研究人员得以在自然状态下对细胞进行研究；它使用白光，同时可以与其他传统技术相结合，例如荧光，来监控细胞。可以结合更多的传统方法，这是因为新技术是显微镜的附加功能，可以使用原来所有的传统方法，同时把我们的技术组件加在上面。由于SLIM技术的高灵敏度，研究人员可以监控细胞周期内不同阶段的情况。他们发现哺乳动物细胞只在G2期（DNA合成期）显示出清晰的指数方式增长。这一发现不仅对基础生物学有重要意义，而且对疾病诊断﹑药物开发和组织工程学同样意义重大。能用他们的新技术研究不同的疾病模型。例如，他们计划以SLIM观察正常细胞与癌细胞增长的区别，以及医疗对细胞增长速率的影响。该技术能在基础生物学和临床医学研究上广泛使用。

技术开发团队：盖布利尔·波佩斯库课题组，实验室：美国伊利诺伊大学生物工程系、电气与计算机工程系、物理系、细胞与发育生物学系 伊利诺伊大学微纳米技术实验室 先进科技研究所定量光成像实验室 贝勒医学院生物化学与分子生物学系

        盖布利尔·波佩斯库（Dr. Gabriel Popescu）课题组发明的光学成像设备SLIM，空间光干涉显微镜，这是一款基于名为相干控制全息显微的专利技术开发的新型显微镜，能够精准地完成定量相位成像（QPI）。这项技术采用非相干光源（如卤素灯、LED灯等），可以获得高品质的定量相位成像（QPI），同时这也是目前唯一一种能够在散射介质中实现样品定量相位成像（QPI）的技术。SLIM的独特设计，使其特别适合活细胞的体外观察实验。SLIM拥有高端的倒置显微技术平台，其光学系统整体位于一个箱体单元内，且优异的机械设计足够满足用户对实验自动化的诸多需求。此外，SLIM活细胞定量相位显微镜的光学系统集成了荧光模块、模拟DIC以及明场成像选项等，为用户提供多种可选的成像模式。SLIM显微镜的上述特点，使其成为生物及生物科技领域极具使用价值的研究设备。无论是研究细胞经特定处理后的反应（即使在散射严重不透明的介质内），还是监测包括有丝分裂在内的细胞生命周期，亦或是鉴定细胞死亡的不同形式，甚至分析细胞的生长、迁移、形态变化以及胞外基质成像等，SLIM显微镜都能够完美实现。

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工作原理:相衬显微技术和全息成像术的结合体，不需要进行细胞染色等特别的前期准备

1. 有别于相差显微镜， 数字全息显微镜是基于独特的相移显微原理。光波在经过物体表面反射或者透过物体之后，受物体表面形貌或者是物体内部不同物质折射率的影响而产生相移，这样就携带上了物体的三维特征。

    

2. 独特光路设计，和其他干涉技术一样，数字全息显微镜产生干涉的前提是两束光的光程差要小于相干长度。由于观测不同大小物体需要使用不同放大倍数的物镜，因此物光O的光程会因此改变。全息定量相位显微镜能根据不同物镜自动调节参考光R的光程，使得两束光的光程差总是符合产生干涉的条件，这种设计也使得各物镜下达到共焦的效果。

    

3. 显微镜能够实现三维形貌的实时呈现，得益于它非扫描机制。抓取单张全息图的时间是由相机的快门速度决定的，因此数字全息显微镜能够轻松实现普通视频速率，比如30帧/秒。

    

4. 透明样品，比如说细胞，利用传统的相衬显微镜只能进行观测。透射式的数字全息显微镜记录光在经过细胞之后的相移信息，不仅能观测细胞，还能进行三维重建和量化分析，因此也被称为量化相衬显微法。细胞中的相移是由细胞内不同组织细微折射率的变化引起的，因此数字全息显微镜观测细胞无须对细胞进行任何标记，比如荧光染色，纳米颗粒或是辐射，这样不会对被观测细胞造成任何损伤或是外在影响。

5. 与激光共聚焦confocal的比较，全息定量相位显微镜采用非扫描 (non-scanning) 技术，全视场瞬态成像四维量测，单帧全息图包含三维形貌信息，纵向亚纳米测量精度由激光本征波长决定，使用普通显微物镜便于维护保养，共聚焦显微镜(Confocal Microscope)同样采用扫描技术测量静态三维形貌，单张测量时间较长因此也无法实现四维形貌测试。

主要特点：

1 细胞无损动态成像
2 无需染色，无需标记
3 细胞干质量测量
4 多模式成像
5 丰富的细胞分析方法
6 精准定量细胞边界
7 散射介质中成像
8 支持7天以上长时成像

典型应用范围：

1. 细胞生长研究
2. 细胞动态研究
3. 三维断层成像
4. 神经科学研究，脑片，脑组织成像
5. 血液检测研究
6. 生物医学组织成像

 

应用介绍举例： 无标记生物细胞观测
得益于数字全息显微镜对生物细胞非侵入式的视觉化量化分析能力，多种在生物医药领域的应用已经得到广泛的关注。例如图5所示，数字全息显微镜可以测量单个血红细胞的三维形貌，由于无需扫描，测量过程是实时的，因此也可以对多细胞进行动态跟踪分析。下图展示了数字全息显微镜对酵母菌的动态跟踪，可以三维实时观测酵母菌的移动和细胞分裂