滨松中国
技术支持

相位控制技术(定量相位显微术)
1.简介

光学显微镜,比如用荧光染料的荧光显微镜,被广大生物医学研究者广泛应用。 然而,用标记染料的显微镜有很多问题,比如染料会改变细胞性质、由于漂白而难以长期测量以及染色过程耗费时间等。 为了无需标记即可观察完整细胞的形态和光学性质,我们研发了一种新型的、利用光波相位的显微镜。 此新型显微镜即定量相位显微镜(QPM), 它可以获取成活细胞的三维形态和光学性质。通过QPM,可以以毫秒时间分辨率来测量细胞的纳米量级的运动。

2.原理

右图显示了光波是如何被细胞调制的。细胞透射或者反射的光经过相位调制,显示了细胞形状和折射率等信息。滨松联合MIT的Michael S. Feld团队, 已经成功的应用光学干涉技术获取了定量光学相位图像。我公司正在研发多种可获取完整成活细胞定量图像的装置。

  透射光的相位变化 反射光的相位变化

透射型QPM的结构图 反射型QPM的结构图
样本图像和视频
1.白血细胞和红血细胞的相互作用(透射图像)

我们的QPM捕获当成活白细胞与红细胞相互作用的瞬间。相互作用十分钟后,红细胞的形状黯然失色。

2.子宫颈肿瘤的延时成像

活的人工培养的Hela细胞(人子宫颈肿瘤的分支)以延时摄影的方式成像(21分钟以5秒钟计),测量过程中细胞的温度保持37摄氏度,我们的QPM捕捉到了他们是如何用伪足来“四处行走”的。 由于我们的QPM对细胞造成的伤害比标记法成像要小得多,在成像过程中细胞没有失去活性。

3.红细胞脱血红蛋白的可视化

红细胞破裂后,其发生洗脱血红蛋白的现象是十分快速的。我们通过改变渗透压使红细胞破裂,已经定量地分析了这种现象发生的过程。


上图显示了破裂红细胞厚度减小的过程。


上图显示了红细胞周围介质的相位变化。由于血红蛋白从破裂的红细胞洗脱,周围介质的折射率增加。该结果显示红细胞的细胞膜在某处破裂,血红蛋白即从该处流出来。

4.人工培养的乳房癌细胞纳米量级的表面形貌(反射成像)

活细胞表面反射光的相位被捕捉,由此得到其表面纳米级别的形貌。细胞表面形貌以前可用扫描电子显微镜(SEM)或者原子力显微镜(AFM)成像, 可以未经任何处理采用飞入侵性的方法获得。这幅图显示了人工培养的衍生于乳房癌的活上皮细胞表面形态。

5.活细胞质膜的纳米量级动态移动(反射图像)

活细胞的细胞质膜由于细胞活性而一直在动。我们的QPM实现了这种动态运动的三维可视化。有趣的是,我们发现这种表面运动的特征取决于细胞的类型和细胞所处环境。

细胞膜的动态移动。(a)老鼠活胰岛瘤细胞:INS-1,(b)活子宫颈癌细胞:HeLa, (c)多聚甲醛处理后的死Hela细胞(INS-1由滨松大学医学院Takashi Sakurai博士提供)。

6.细胞内折射率的可视化(投射和反射)

因为折射率取决于化学浓度,细胞内细胞器的折射率各有不同。通过结合活细胞反射相位信息和投射相位信息,我们已经量化了细胞内的折射率。经过观察,细胞核的折射率要高于细胞其他部分。

活MCF-7细胞的差分干涉对比(DIC)图(上图)和折射率(RI)图(下图)。

滨松量化相位显微镜使得活细胞不须标记即可成像,而且揭露了很多关于活细胞的奇特信息,比如细胞的纳米量级的运动和细胞内折射率等。 我们期望我们的QPM能够对一些前言生物医学研究做出奉献,比如细胞诊断、癌症早期探测、再生医学以及药物输送。


参考文献
H. Iwai, et. al, “Quantitative phase imaging using actively stabilized phase shifting low-coherence interferometry,” Optics Letters 29, 2399-2401 (2004).
T. Ikeda, et. al, “Erythrocyte structure and dynamics quantified by Hilbert phase microscopy,” Journal of Biomedical Optics 10, 060503 (2005).
T. Yamauchi, et. al, “Low-coherent quantitative phase microscope for nanometer-scale measurement of living cells morphology,” Optics Express 16, 12227-12238 (2008).