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荧光全息投影:颠覆生物成像领域的技术

2016-11-01 09:41
Timeless落尘
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  Jeffrey Field,他是科罗拉多州立大学电气工程方面研究的科学家且是显微镜成像网络实验室的主任,设计和建造了一个结合了三维和高分辨率图像处理的荧光显微镜,这要比现有技术要快。

  这项研究工作,与Randy Bartels共同合作进行的,后者是电气和计算机工程的教授,以及前博士后研究员David Winters,这项研究已经在美国光学学会期刊《Optica》杂志发表出版。他们命名新的显微镜为CHIRPT,即:基于相移的相干全息图像重建。

  成像技术的权衡

  这个领域和其他光学科学家一同在一个需要权衡的领域里工作。例如:一个先进的深层组织成像技术被称为多光子荧光显微镜,其采用短而明亮的激光脉冲聚焦到一点,该点的荧光强度被记录。然后,激光移动到下一个点,然后下一个,从而建立了高分辨率的三维图像。该技术提供了亚细胞的细节,但它是相对缓慢的,因为它在同一个时间只照亮一个微小的点。

  其他技术,如旋转磁盘共聚焦显微镜,速度会更快,因为他们的光照能同时照亮多个点,而不仅仅是一个,从而能够扫描一个更大的区域。但不同于多光子,这些技术需要一个摄像头采集图像。其结果是,从试样上发射的荧光在相机上是模糊的,导致亚细胞观测分辨率的损失。

  但是研究人员还想获得更多的表面细节。

  打破边界

  他们的目标是卓哥克服这种技术的限制,速度,分辨率,面积的大小,试图打破光学显微镜曾限制的种种边界。

  光场和Bartels的这种新显微镜是建立在先前发表的技术之上的,允许数字重新聚焦到荧光灯。这说明不是一点,而是利用局域光照分布在大面积上的多点。它们所使用的物理原理类似于全息照相,其中散射光被用来建立一个三维图像。

  使用一个大的照明区域,其次是后端信号处理,显微镜可以定义在视场内许多点的不同的光调制模式。它建立了一个三维图像,通过与所有这些不同的模式的信号相结合。

  “我们的想法是,你在标本中有任何一点的荧光,其荧光和时间结构将会与其它所有点产生区别,”Field说。“所以你可以拥有这个庞大的荧光团,只是这个单像素探测器,你就可以知道其中每一个点都是在2D领域。”

  3D深层图像

  那么这种新技术能用来做什么呢?深部组织图像的三个维度,相比同类技术能够提供更好的区域深度。领域的深度,就像在摄影中,意味着背景图像也随着图像的主体处在尖锐的焦点上。科罗拉多州立大学的研究人员可以实现工作速度达每秒600帧,这比其原来所建立技术要快很多倍。

  用他们的新的显微镜,图像也可以被后处理,以消除掩盖其目标对象的像差。它类似采集后图像然后再聚焦的照片。

  CHIRPT显微镜可以允许生物医学研究人员产生足够锐利的细胞或组织的三维图像,这能够实现比传统的荧光显微镜方法更大的观测效果。它可能会实现多细胞活动过程实时成像,而若用传统的光显微镜,只能在同一时间看到单一个细胞。
 

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