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吴武田教授研究团队研发出一种新型并行3D成像显微镜

日期: 2020-07-28
浏览次数: 508

       生物体系复杂系统的动态观测仍依赖于光学显微镜。为适应不同研究体系,光学显微镜的两个不同的研究方向是如何提高分辨率以及增大视场范围。并行荧光成像是一项长期的追求,然而,由于现有技术采用相干光,在散射介质成像中具有一定的制约,如穿透深度增大后散斑效应强烈。如何有效地采用多片照明并对散射介质中的结构进行低损伤、高时空分辨率成像,这仍是光学成像领域的一个研究热点。


       近日,瑞思坦生物吴武田教授与香港大学研究团队共同开发了一种新颖的荧光成像方法,称为编码光片阵列显微镜(CLAM),该方法无需机械扫描即可完成完整的并行3D成像。而且,利用“无限反射镜”的概念,CLAM生成了具有可控制的纸张密度和相干度的光片阵列。相关研究结果发表于国际光学期刊《Light: Science & Applications》杂志上。


吴武田教授研究团队研发出一种新型并行3D成像显微镜

图片来源:《Light: Science & Applications》


       在这项工作中,研究团队通过一对接近平行且高反射的平面镜所构成的“无穷镜”实现可重构的非相干光光片阵列。通过编码调制单元,对每片光片加载特定的调制频率,实现对照明光编码,二维图像传感器获取的荧光图像序列包含样品的三维信息,对荧光数据解码即可实现三维荧光成像。


       为了并行采集每层的图像,装置中人为引入球差增大成像焦深。这种设计提供了一种可行的方案克服了传统光片荧光显微镜由于机械扫描引起的稳定性差以及每层图像之间有时滞的瓶颈。同时,所采用的双反射镜设计有效地在相邻的兩束光之间引入时间延迟,使得照明的光片之间互不相干,减少在荧光成像中形成激光散斑,特别适合对散射介质中的结构进行成像。


吴武田教授研究团队研发出一种新型并行3D成像显微镜

图片:CLAM的系统性能。


       与传统的基于空间光调制或者激光分束的技术相比,采用双反射镜所生成的多光片具有光片数目以及相干性可控的优势。由于采用编码调制结合并行照明,可以实现对样品的深度结构进行低损伤成像,光损伤比传统的光片荧光显微镜更小。


       研究团队利用CLAM对含二氧化钛的人工散射介质中的荧光高分子微球进行成像,在300 μm穿透深度内仍能得到较好信噪比的图像。所构建的CLAM系统能对组织透明化的老鼠肾小球以及血管等重要组织结构进行三维成像,还可以进一步拓展到发育生物学、细胞生长调控等研究,如对斑马鱼、果蝇等模式动物以及植物细胞的实时三维成像。


       在显微技术方面,该研究所研制的显微镜具有无扫描以及非相干光照明等特点,可以方便的移植到传统的商用显微镜以及光片荧光显微镜上,实现多功能紧凑的光学显微成像系统。在器官三维结构、发育生物学、植物生理等需要低损伤的领域具有广泛的应用前景。据悉,本论文的核心概念已提交了国际发明专利申请。



资讯出处:

[1]Kevin K. Tsia, Kenneth K. Y. Wong, Wutian Wu, et al.Parallelized volumetric fluorescence microscopy with a reconfigurable coded incoherent light-sheet array[J].Light: Science & Applications,2020,(1).

[2]可重构的编码非相干光片阵列实现并行荧光体成像[N].科学网,2020-02-27.


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