使用新的显微镜技术，活细胞的灵敏度提高了7倍

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

由于单个细胞几乎是半透明的，因此显微镜相机必须检测穿过细胞部分的光中的细微差别。这些差异被称为光的相位。摄像机图像传感器受到它们可以检测到的光相位差量（称为动态范围）的限制。

东京大学光子科学与技术学院副教授Ideguchi教授说：“要使用相同的图像传感器查看更多细节，我们必须扩大动态范围，以便能够检测出较小的光相位变化。

研究小组开发了一种技术，可以进行两次曝光以分别测量光相位的大和小变化，然后无缝地连接它们以创建非常详细的最终图像。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（ADRIFT-QPI），并于最近在Light：Science＆amp;应用程序。

“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，不需要任何污渍或荧光，而且光毒性的可能性很小。” Ideguchi说。光毒性是指用光杀死细胞，这可能成为其他一些成像技术（例如荧光成像）的问题。

定量相位成像将一束平坦的光脉冲发送到细胞，然后测量光波穿过细胞后的相移。然后，计算机分析将重建单元内部主要结构的图像。 Ideguchi和他的合作者以前开创了其他方法来增强定量相显微镜。

定量相位成像是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，例如根据光波的移动情况跟踪细胞的生长速率。但是，由于图像传感器的饱和容量低，该技术的定量方面具有较低的灵敏度，因此使用常规方法无法跟踪细胞内和细胞周围的纳米级颗粒。

新的ADRIFT-QPI方法克服了定量相位成像的动态范围限制。在ADRIFT-QPI期间，相机会进行两次曝光，并产生最终图像，其感光度是传统定量相显微镜图像的七倍。

第一次曝光是通过常规的定量相位成像产生的-将一块平坦的光脉冲朝向样品，并在光穿过样品后测量其相移。一个计算机图像分析程序会根据第一次曝光来开发样品的图像，然后快速设计出一个雕刻的光波前，该光的波前会镜像该样品的图像。然后，一个称为波前整形装置的单独组件会生成具有较高强度的光的“光雕塑”，以提供更强的照明，并将其向样品脉冲以进行第二次曝光。

如果第一次曝光产生的图像完美地代表了样品，则第二次曝光的定制雕刻光波将以不同的相位进入样品，穿过样品，然后以平坦的光出射，从而导致相机只能看到深色图像。

“这很有趣：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。” Ideguchi解释说。

实际上，第一次曝光是不完美的，因此雕刻的光波会出现细微的相位偏差。

第二次曝光显示出微小的光相位差，这些光相位差被第一次曝光中的较大差异“冲刷”了。由于第二次曝光中使用了更强的照明，因此可以以更高的灵敏度测量这些剩余的微小光相位差。

附加的计算机分析会根据两个测量结果，以扩展的动态范围来重建样本的最终图像。在概念验证演示中，研究人员估计，ADRIFT-QPI产生的图像的灵敏度是传统定量相位成像技术的七倍。

Ideguchi说，ADRIFT-QPI的真正好处在于它能够在整个活细胞内看到微小的颗粒，而无需任何标签或污渍。 Ideguchi说：“例如，可以检测到诸如病毒之类的纳米级粒子或在细胞内外移动的粒子发出的小信号，从而可以同时观察其行为和细胞状态。” K. Toda，M。Tamamitsu，T。Ideguchi，＆＃34;自适应动态范围位移（ADRIFT）定量相位成像，＆＃34; 光：科学与技术 应用：2021年1月1日，doi：10.1038 / s41377-020-00435-z。 链接（出版物）