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显微镜技术通过扩大动态范围来提高图像清晰度

光学物理学专家已经开发出一种新技术,可以通过采用当前的显微镜技术来更详细地观察活细胞内部,而无需添加荧光染料或染色剂。

ADRIFT-QPI技术的这种艺术表现形式显示出雕刻的光脉冲(绿色,顶部)穿过一个单元(中心),然后从出射(底部)传播,在那里可以分析光波的变化并将其转换为更详细的图像。图片来源:s-graphics.co.jp。

考虑到单个细胞几乎是半透明的,显微镜相机应检测到穿过细胞部分的光中的细微差异。这种差异称为光的相位。摄像机图像传感器受到它们可以检测到的光相位差量(即动态范围)的限制。

要使用同一图像传感器查看更多细节,我们必须扩展动态范围,以便可以检测到较小的光相位变化.

东京大学光子科学技术研究所副教授井口拓郎

研究人员开发了一种新方法,可以进行两次曝光来分别量化光相中的小变化和大变化,并平滑地将它们进一步链接在一起,以制作出非常详细的最终图像。该技术被称为自适应动态范围位移定量相位成像(ADRIFT-QPI),研究结果最近发表在该杂志上 光:科学& 应用领域.

据出口口说,“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;我们可以使用活细胞,我们不’不需要任何污渍或荧光,并且光毒性的可能性很小.”

光毒性是使用光杀死细胞,对于其他一些成像方法(例如荧光成像)可能是一个问题。

定量相位成像包括将一束平坦的光脉冲向细胞传输,然后在光波通过细胞后立即量化其相移。然后,使用计算机分析来重建细胞内存在的重要结构的图像。 Ideguchi和他的合作者更早地率先采用了其他技术来改善定量相显微镜。

定量相位成像是分析单个细胞的强大工具,因为它使科学家能够进行精细的测量,例如根据光波的移动来监视细胞的生长速度。

但是该方法的定量性质由于图像传感器的低饱和容量而具有低灵敏度,因此用传统方法监测细胞内和细胞周围的纳米级颗粒是不可行的。

最新的ADRIFT-QPI技术已克服了定量相位成像的动态范围限制。在ADRIFT-QPI技术中,相机捕获两次曝光并生成最终图像,其感光度是传统定量相显微镜图像的七倍。

初始曝光是通过传统的定量相位成像产生的—一束平坦的光朝着样品脉冲,一旦其通过样品,就将量化光的相位偏移。

样品的图像由计算机图像分析程序根据初始曝光进行显影,然后程序会快速设计出经过雕刻的反射了样品图像的光波前。在此之后,称为波前成形装置的单个组件将产生“sculpture of light”用更高强度的光进行强大的照明,然后将其向样品脉冲以进行第二次曝光。

如果初始曝光产生的图像被认为是样品的理想代表,则第二次曝光的定制雕刻光波将在各个阶段穿透样品,穿过样品,然后以平板状的光出现,从而使相机看不到暗图像。

这是有趣的事情:我们有点抹掉了样本’的图像。我们几乎看不到任何东西。我们取消了大型结构,以便可以更详细地看到较小的结构.

东京大学光子科学技术研究所副教授井口拓郎

实际上,最初的曝光并不完美,并且 雕刻出的光波出现微妙的相位偏差。

第二次曝光显示出较小的光相差“washed out”第一次曝光的变化很大。由于在第二次曝光中使用了更强的照明,因此可以较高的灵敏度来量化这些剩余的小光相差。

进一步的计算机分析会根据两个测量结果重建具有扩展动态范围的样品最终图像。在原理证明中,研究小组预测,与传统的定量相位成像相比,ADRIFT-QPI产生的图像灵敏度高7倍。

根据Ideguchi的说法,ADRIFT-QPI的真正优势在于它能够查看整个活细胞中存在的微小颗粒,而无需使用任何污渍或标签。

例如,可以检测到来自纳米级粒子(如病毒)或在细胞内外移动的粒子的小信号,从而可以同时观察其行为和细胞’s state.

东京大学光子科学技术研究所副教授井口拓郎

期刊参考:

户田市 。 (2020)自适应动态范围偏移(ADRIFT)定量相位成像。 光:科学& 应用领域. doi.org/10.1038/s41377-020-00435-z.

资源: //www.u-tokyo.ac.jp/en/

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