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空間光干涉顯微鏡

（Spatial Light Interference Microscopy，SLIM）

空間光干涉顯微技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展出的一種新型成像技術(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)**，可以通過(guò)光來(lái)定量測(cè)量所有類(lèi)型的細(xì)胞，并且保證獲得信息的精確性。空間光干涉顯微技術(shù)，可以通過(guò)光來(lái)定量?？臻g光干涉顯微技術(shù)（Spatial Light Interference Microscopy，SLIM）的成像方法。這種方法能夠通過(guò)兩束光線(xiàn)來(lái)測(cè)量細(xì)胞質(zhì)量，從而為有關(guān)細(xì)胞是以固定速率還是指數(shù)方式增長(zhǎng)的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論提供新視角。

空間光干涉顯微技術(shù)靈敏度非常高，在質(zhì)量測(cè)量上達(dá)到了飛克（10克）級(jí)，而微米尺寸的小水滴重約為1000飛克。用這一技術(shù)可以測(cè)量單細(xì)胞的增長(zhǎng)，甚至是細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)量變化；不過(guò)，顯然它的應(yīng)用范圍將是非常廣泛，而不僅限于細(xì)胞?！芭c其他顯微技術(shù)相比，SLIM一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)是，我們可以測(cè)量所有類(lèi)型的細(xì)胞——細(xì)菌﹑哺乳動(dòng)物細(xì)胞﹑粘連細(xì)胞﹑非粘連細(xì)胞﹑單個(gè)細(xì)胞以及細(xì)胞群，并且保證獲得信息的精確性?！辈煌谄渌?xì)胞成像技術(shù)，SLIM作為相襯顯微技術(shù)和全息成像術(shù)的結(jié)合體，不需要進(jìn)行細(xì)胞染色等特別的前期準(zhǔn)備。由于這一技術(shù)無(wú)須進(jìn)入細(xì)胞，研究人員得以在自然狀態(tài)下對(duì)細(xì)胞進(jìn)行研究；它使用白光，同時(shí)可以與其他傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，例如熒光，來(lái)監(jiān)控細(xì)胞。可以結(jié)合更多的傳統(tǒng)方法，這是因?yàn)樾录夹g(shù)是顯微鏡的附加功能，可以使用原來(lái)所有的傳統(tǒng)方法，同時(shí)把我們的技術(shù)組件加在上面。由于SLIM技術(shù)的高靈敏度，研究人員可以監(jiān)控細(xì)胞周期內(nèi)不同階段的情況。他們發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞只在G2期（DNA合成期）顯示出清晰的指數(shù)方式增長(zhǎng)。這一發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)基礎(chǔ)生物學(xué)有重要意義，而且對(duì)疾病診斷﹑藥物開(kāi)發(fā)和組織工程學(xué)同樣意義重大。能用他們的新技術(shù)研究不同的疾病模型。例如，他們計(jì)劃以SLIM觀察正常細(xì)胞與癌細(xì)胞增長(zhǎng)的區(qū)別，以及醫(yī)療對(duì)細(xì)胞增長(zhǎng)速率的影響。該技術(shù)能在基礎(chǔ)生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究上廣泛使用。

技術(shù)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)：蓋布利爾·波佩斯庫(kù)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

蓋布利爾·波佩斯庫(kù)（Dr. Gabriel Popescu）課題組發(fā)明的光學(xué)成像設(shè)備SLIM，空間光干涉顯微鏡，這是一款基于名為相干控制全息顯微的**技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型顯微鏡，能夠精準(zhǔn)地完成定量相位成像（QPI）。這項(xiàng)技術(shù)采用非相干光源（如鹵素?zé)?、LED燈等），可以獲得高品質(zhì)的定量相位成像（QPI），同時(shí)這也是目前**一種能夠在散射介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)樣品定量相位成像（QPI）的技術(shù)。SLIM的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使其特別適合活細(xì)胞的體外觀察實(shí)驗(yàn)。SLIM擁有高端的倒置顯微技術(shù)平臺(tái)，其光學(xué)系統(tǒng)整體位于一個(gè)箱體單元內(nèi)，且優(yōu)異的機(jī)械設(shè)計(jì)足夠滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化的諸多需求。此外，SLIM活細(xì)胞定量相位顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)集成了熒光模塊、模擬DIC以及明場(chǎng)成像選項(xiàng)等，為用戶(hù)提供多種可選的成像模式。SLIM顯微鏡的上述特點(diǎn)，使其成為生物及生物科技領(lǐng)域**使用價(jià)值的研究設(shè)備。無(wú)論是研究細(xì)胞經(jīng)特定處理后的反應(yīng)（即使在散射嚴(yán)重不透明的介質(zhì)內(nèi)），還是監(jiān)測(cè)包括有絲分裂在內(nèi)的細(xì)胞生命周期，亦或是鑒定細(xì)胞死亡的不同形式，甚至分析細(xì)胞的生長(zhǎng)、遷移、形態(tài)變化以及胞外基質(zhì)成像等，SLIM顯微鏡都能夠**實(shí)現(xiàn)。

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工作原理:相襯顯微技術(shù)和全息成像術(shù)的結(jié)合體，不需要進(jìn)行細(xì)胞染色等特別的前期準(zhǔn)備

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. 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。全息定量相位顯微鏡能根據(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。

3. 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(mén)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。

4. 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(chēng)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。

5. 與激光共聚焦confocal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。

主要特點(diǎn)：

1 細(xì)胞無(wú)損動(dòng)態(tài)成像

2 無(wú)需染色，無(wú)需標(biāo)記

3 細(xì)胞干質(zhì)量測(cè)量

4 多模式成像

5 豐富的細(xì)胞分析方法

6 精準(zhǔn)定量細(xì)胞邊界

7 散射介質(zhì)中成像

8 支持7天以上長(zhǎng)時(shí)成像

典型應(yīng)用范圍：

1. 細(xì)胞生長(zhǎng)研究

2. 細(xì)胞動(dòng)態(tài)研究

3. 三維斷層成像

4. 神經(jīng)科學(xué)研究，腦片，腦組織成像

5. 血液檢測(cè)研究

6. 生物醫(yī)學(xué)組織成像

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