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美国Phi Optics空间光干涉量化成像分析系统

Phi Optics SLIM技术将相衬显微技术和全息成像术整合为一体,是一款非侵入式的空间光成像技术;采用独特的四波横向剪切干涉检测专利技术,利用空间非相干光源的白光成像,参照光与照射光都通过样本,不受光源极性变化影响,保证更好的横向分辨率,无光漂白影响,无需染色,避免光毒性,直接通过将样本中的光程差并将其转化成厚度,干物质面积浓度和折射率图

公司简介

Phi Optics有限公司于2009年由光学博士和材料科学研究博士在美国成立,公司为应对市场需求致力于开发量化相差成像设备。基于其量化相差成像平台,Phi Optics公司正在开发下一代光学成像系统,Phi optics平台的目标是在多变的纵向市场与传统光学显微镜竞争,在大量专利保护证书及Phi Optics的不断开发的支持下,公司主要针对生命科学、医学诊断及纳米技术,半导体技术等开发应用。

Phi Optics技术平台采用标准工具及处理过程,综合传统可调光学显微镜的性能(例如荧光,DIC,相差等)与实时3D断层扫描量化相差成像于一体,其整合性对于那些要求低成本,快速,准确量化纳米材料的应用提供了一个非常突出的优势。目前该系统在全世界专机200台以上,发布文献无数。


产品介绍

技术原理

Phi Optics SLIM技术将相衬显微技术和全息成像术整合为一体,是一款非侵入式的空间光成像技术;采用独特的四波横向剪切干涉检测专利技术,利用空间非相干光源的白光成像,参照光与照射光都通过样本,不受光源极性变化影响,保证更好的横向分辨率,无光漂白影响,无需染色,避免光毒性,直接通过将样本中的光程差并将其转化成厚度,干物质面积浓度和折射率图。Phi OpticsSLIM工具能加载所有主要品牌的相差显微镜上(放大倍数从10x-100x),通过C接口连接,并使用显微镜的白光做光源。应用空间光干涉度量法对细胞结构及动态性检测,非常灵敏。



产品特点



•影像输出:快照及全相机分速度及分辨率的长时间成像系列(例如:4MP全画成像速度为100fps

SLIM高对比度活细胞成像,并且可测量细胞及组织成份的浓度(可定量的图),32-bit TIFF

•相差漂移图(放射状)

•干物质表面浓度度(皮克/每平方微米)

•测折射率的高度图(微米)

•测厚度的折射率图

•常规明场,相差,荧光显微镜,816位元TIFF图像



硬件系统

•实时量化相差成像及图像显示

•宽时间范围的非侵入式,无标记细胞及组织成像(从几秒到几周)

•程序化的2D3D扫描大面积2DSLIM3DSLIM影像

•与其他显微通道无缝叠加

•快速及简易细胞量化分割

CellVista图像获取软件

SLIM图及长时间成像图的即时呈现

•直接检测样本相差,干物质、厚度或折射率

•与现有光学显微镜整合:X-Y-Z 扫描&多通道成像 (CellVista Pro)


成像对比----和共聚焦可以媲美的成像定量效果


对比使用荧光共聚焦显微镜与SLIM的无标记的神经元成像效果,(图d)用抗多聚唾液酸IgG #735,图C无标记,逐一比较2者的3D图及相应的Z轴堆叠用于构建3D的图,共聚焦的数值孔径NA=1.2,SLITSLIM断层扫描模式)的高,这解释共聚焦具有更高的分辨率,结果SLIT的成像定量结果与荧光共聚焦显微镜相似,相对共聚焦显微镜,SLIT是无标记的,能够长时间对活细胞进行非侵入式成像,利用更低功率的光源,典型的在样本平面的辐照度为1nw/um2,曝光时间为10-50ms,曝光度低于典型共聚焦的6-7个数量级,因此在减少了长时间活细胞成像过程中的光毒性,高的折射率与染色体分割相关,允许在有丝分裂时成高对比度的成像,这类的4D成像能对细胞分裂、机动性、分化和生长产生新的洞察;另外实际上,SLIT综合显微镜和干涉检测以解决逆散射问题,是对现存相差显微镜的补充提升的基于相差的成像用于从发现到定量对宽范围时空跨度





应用案例

1、 细胞生长---干物质定量分析

长期以来缺少一个简易的方法检测单个贴壁细胞不同大小的生长率,老化的争议是细胞生命周期的生长率是否恒定,细胞的生长是否与细胞干物质成比例,细胞每一代 的变异都不一样,因此必然存在调节生长的机制,争议一直持续的原因在于缺少达要求的灵敏度的对细胞干物质定量的方法,传统的库尔特检测细胞大小会受渗透压 的影响。

SLIM的干物质检测不受渗透压影响,SLIM 的敏感性在时间和空间上分别为1.5fg/um2,0.15fg/um2,SLIM能检测很多单个贴壁细胞在不同条件下的干物质,夸空间尺度、从微米级到毫米级、从数秒到数天、从细菌到哺乳动物细胞的形态、综合空间光干涉和荧光成像;提供一个独特的方法去研究细胞周期依赖的生长:荧光报告基团显示细胞生长阶段和SLIM提供以单细胞分辨率(亚飞克级灵敏度)非侵入式的细胞干物质检测。

《细胞周期依赖的生长的光学检测PNAS,2011)


2、 无标记纳米尺寸测量血红细胞膜变动评估存储血液质量

血库中的血细胞(RBC)一般的存储时间为42天,随着存储时间延长,细胞的形变能力减弱,正常的RBC直径为7-8mm,仅比微毛细管稍宽,他们必须要通过变形穿过微脉管网,低变形的RBC要么堵在为毛细管里或是花更多的时间穿过微循环,导致运输到器官的氧气减少,形变减弱的细胞在脾脏血管中最终被从循环中排除,RBC的形状随着渗透脆性增加和长时间形变丢失而改变,降低的膜变形能力会导致内皮红细胞相互作用降低,随之激活炎症路径,先前的研究表明光学成像提供了细胞形态信息,数字全息,非接触方法检测3D形态的改变和平均血球蛋白浓度,但是,关于细胞动态性仍然没有报道。

SLIM综合泽尔尼克的相差法与加柏的全息法,提供了一个空间均一性白光,稳定性与通用的路径干涉,可检测RBC膜的波动性,硬的膜波动性及形变减少,SLIM的量化分析直接与功能相关即相差位移降低,细胞变硬,干物性能减弱,细胞受损;借助SLIM的无标记定量分析技术,可以快速直接的检查存储血液的质量及优化血液储存条件,以避免血站珍贵血液的浪费。《Optical Assay of ErythrocyteFunctioninBanked Blood》(Scientific Reports Sep 2014


3、 细胞动态

SLIM通过追踪小细胞器移动或作为整体分析感兴趣的区域研究细胞内或胞间的动态、3D断层扫描性,SLIM亚纳米的灵敏度和衍射限制分辨率提供了一个理想的方法用研究细胞的动态,依照扩散系数及速度分布,量化数据生成实际的物质运输信息

《通过空间光干涉显微镜实现免标记细胞运输检测J. Biomed. Opt (2011)


43D断层扫描


HT-29 3D断层扫描图(aA检测Z轴截面(顶部),红色区域表示横截面(左边底部)和黄色框表示区域缩小的图片(右边底部),使用x63/1.4NA 油镜检测;(b)去卷积的Z轴截面与a (顶部)对应,横截面图用红色标(左下),黄色表示缩小区域图(右下角),通过对比ab,分辨率的增加可以清楚的看到。(C)去卷积后伪彩三维呈现(补充动画3),使用140张图片的z轴堆叠,每个维度为640x640.由于影像维度大,图像被分成25个亚图像用于更快的去卷积处理,总的来说,去卷积处理大概花1h,所以通道的刻度都是5 µm. SLIM用于活细胞断层扫描程序和3D分析,对无标记活细胞的断层扫描图像的获取通过全样本聚焦扫描,依次获取按细胞堆叠截面影像,获取的堆叠图包含所有样本的3D信息,其能够进一步获取信息关于物体的结构和空间分布,堆叠影像的3D呈现是同那个ImageJ提供全部的和灵活的细胞观察。基于可量化相差图像,这个能扩展了SLIM的应用到科学和临床及其他范围。


《白光衍射断层扫描为标记的活细胞 Nature Photonics (2014)



5、神经科学

成年人祖细胞神经元生长SLIM适合研究神经科学,非侵入式活细胞成像提供了一个可成活的环境为脆弱的神经元和神经干细胞,其很容易被环境,化学物质或光损伤,SLIM的获取速度能直接检测神经元之间的运输,宽范围视野能够对神经网络形成成像,因此,SLIM提供可一个环境,能在单细胞和群体水平研究神经元。

《人神经元网络形成的无标记特征描述》Scientific Reports (2014)


6、血液检查

综合SLIM与振幅显微镜形式增加了细胞厚度和折射率的检测

空间光干涉显微镜能够被用于血液检查,SLIM能够检测血液细胞(RBC)的厚度,其提供了可靠的方法去推断RBCs的条件。来自SLIMRBCs分析的有效参数包括:周长,投影面积,圆度直径,表面积,体积,球面性,离心率,最小高度,最大高度,平均高度,最小圆柱体直径,圆度,综合密度,峰度,偏协度和方差,我们综合常规的亮区影像用于吸收检测,SLIM也能推断关于血红蛋白浓度的信息。

《利用可量化的相差及振幅显微镜在单细胞水平检测血液》,Biomed. Opt. Exp2011


7、组织成像

SLIM,对乳腺癌微小钙成像,磷酸钙化的乳腺癌组织

SLIM成像(a)纳米尺度的颜色条;H&E图像;(b)整个组织切片是2.2cmx2.4cmSLIM通过4785张影像拼接,H&E925张图像拼接,刻度尺:100nm。钙微小化乳腺癌组织:SLIM成像,(c)纳米级颜色条,H&E成像。(d)整个的切片是1.6cmx2.4cmSLIM影像通过2840张图片拼接,H&E通过576图像拼接。

《组织折射率做为疾病标记物》 J. Biomed. Opt. 16(11), 2011



参考文献


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