使用新的显微镜技术更详细地观察活细胞内部

漂流QPI

东京大学的研究人员已经找到了一种增强现有定量相成像的敏感性的方法,使得活细胞内的所有结构可以同时观察到大结构。该技术的这种艺术表示示出了穿过电池(中心)的雕刻的光(绿色,顶部)的脉冲,并且可以分析光波中的变化并转换成更详细的图像的(底部)。信用:s ~graphics.co.jp,cc by-nc-nd

升级到定量相位成像可以扩大动态范围,提高图像清晰度。

光学物理学专家已经开发出一种新方法,利用现有的显微镜技术,无需添加染色剂或荧光染料,就能更详细地观察活细胞内部。

由于单个细胞几乎是半透明的,显微镜照相机必须能探测到穿过部分细胞的光线中极其细微的差异。这些差异被称为光的相位。相机图像传感器受到它们能检测到的光相位差的限制,即动态范围。

“要使用相同的图像传感器看到更详细的详细信息,我们必须扩展动态范围,以便我们可以检测到较小的光线变化,”来自东京光子科技大学的Takuro Ideguchi表示副教授。

该研究小组开发了一种技术,通过两次曝光分别测量光相位的大小变化,然后将它们无缝连接起来,创造出高度详细的最终图像。他们将他们的方法命名为自适应动态范围位移定量相位成像(drift - qpi),并在最近发表了他们的结果光:科学与应用

Adrift QPI的动态范围扩展

使用常规定量相成像(上)和使用由东京大学的研究团队开发的新的Adrift-QPI显微镜方法(底部)产生的二氧化硅珠粒和更清晰的图像。左侧的照片是光学阶段的图像和右侧的图像显示光学相变由于二氧化硅珠的中红外(分子特异性)光吸收。在这种概念证明演示中,研究人员计算出他们通过常规QPI的adrift-qpi实现了大约比较高7倍的敏感性。图片来源:Toda等人,CC-BY 4.0

“我们的ADRIFT-QPI方法不需要特殊的激光,没有特殊显微镜或图像传感器;我们可以使用活细胞,我们不需要任何污渍或荧光,并且光毒性的机会很小,“Ideguchi说。

光毒性是指用光杀死细胞,这可能成为其他成像技术的一个问题,如荧光成像。

定量相位成像向细胞发送一个平板光脉冲,然后测量光波通过细胞后的相移。计算机分析然后重建细胞内主要结构的图像。Ideguchi和他的合作者之前就有过促进其他方法以增强定量相显微镜

定量相位成像是一种用于检查单个细胞的强大工具,因为它允许研究人员进行详细的测量,例如基于光波的偏移跟踪电池的生长速率。然而,由于图像传感器的低饱和容量,该技术的定量方面具有低灵敏度,因此通过常规方法,不可能跟踪细胞内和周围的纳米粒子颗粒。

漂流QPI活COS7细胞

上图为使用常规定量相位成像拍摄的标准图像,下图为使用东京大学研究小组开发的新型漂移- qpi显微技术拍摄的更清晰的图像。左图为光学相位图像,右图为主要由蛋白质吸收中红外(分子特异性)光引起的光学相位变化。蓝色箭头指向细胞核边缘,白色箭头指向核仁(细胞核内的一种亚结构),绿色箭头指向其他大粒子。图片来源:Toda等人,CC-BY 4.0

新的漂移- qpi方法克服了定量相位成像的动态范围限制。在漂移- qpi过程中,相机需要两次曝光,并产生一个最终图像,其灵敏度比传统的定量相显微镜图像高7倍。

通过常规定量相位成像产生第一曝光 - 扁平的光片朝向样品脉冲,并且在通过样品后测量光的相移。计算机图像分析程序基于第一曝光开发样本的图像,然后快速设计镜像镜像样本的图像的雕刻波前。然后,一种单独的部件,然后产生具有更高强度光的这种“光的雕塑”,用于更强的照明,并将其朝向样本脉动,以进行第二次曝光。

如果第一曝光产生了作为样品的完美表示的图像,则第二曝光的定制雕刻的光波将在不同阶段进入样品,通过样品,然后作为平板张力,导致相机只能看到黑色的图像。

“这是一个有趣的事情:我们有点擦除样本的形象。我们希望几乎没有看到。我们取消了大型结构,以便我们能够详细地看到较小的结构,“Ideguchi解释说。

实际上,第一次曝光是不完美的,因此雕刻的光波具有微妙的相位偏差。

第二次曝光显示了微小的光相差异,而第一次曝光的光相差异则被较大的光相差异“冲淡”了。由于在第二次曝光中使用了更强的光照,这些剩余的微小的光相位差可以通过提高灵敏度来测量。

附加计算机分析重建样本的最终图像,其具有从两个测量结果的扩展动态范围。在概念证明演示中,研究人员估计adrift-qpi产生比传统定量相成像更高的敏感性七倍的图像。

IDEGUCHI表示,ADRIFT-QPI的真正好处是它能够在整个活细胞的背景下看到微小的粒子,而不需要任何标签或污渍。

“例如,可以检测来自纳米级颗粒的小信号,如病毒或颗粒在电池内部移动的病毒或颗粒,这允许同时观察它们的行为和细胞的状态,”Ideguchi。

参考:Keiichiro Toda, Miu Tamamitsu和Takuro Ideguchi的《自适应动态范围漂移定量相位成像》,2020年12月31日,光:科学与应用
DOI: 10.1038 / s41377 - 020 - 00435 - z

资金:日本科技机构,日本促进科学学会。

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