无透镜片上细胞成像技术为高通量细胞生物学与医学诊断提供了新工具

摘要

展示了无需透镜的片上细胞成像与表征技术。这种片上细胞成像方法为医学诊断和高通量细胞生物学应用提供了一种紧凑且成本效益高的工具，特别适用于资源匮乏的环境。

摘要

传统的光学显微镜通过物镜与其他透镜及光学元件协同工作来对细胞进行成像。尽管这种方法非常有效，但这种经典方法在将成像平台微型化以适应微流控技术先进水平方面存在一定的局限性。在本报告中，我们介绍了无透镜片上成像概念LUCAS（LenslessU超宽视场C细胞监测一个rray 平台基于S阴影成像）无需任何显微镜物镜或其他笨重的光学组件，即可对异质细胞溶液进行成像，视场超宽，最大可达约 18 cm²此外，与传统显微镜不同，LUCAS 能够在约 5 mm 的景深范围内对目标异质细胞溶液进行成像，无需重新对焦，对应的样本体积可达约 9 mL。该成像平台记录视场内每个目标细胞的阴影（即无透镜数字全息图），通过自动化的数字图像处理，可确定溶液中细胞的类型、数量及相对位置。由于无需任何笨重的光学元件或机械扫描装置，该平台显著实现了小型化，同时降低了成本，这对于即时诊断工具尤为重要。此外，该平台的成像通量比传统光学显微镜高出数个数量级，因此在高通量细胞生物学实验中具有极高的应用价值。

方案

本文讨论了LUCAS所涉及的实验步骤[1-3]。为了说明LUCAS的概念验证，我们将描述全血样本的成像过程。

A. 成像装置设置

LUCAS成像平台具有显著优势，可为现有的即时细胞分析和医学诊断工具提供一种经济高效且紧凑的替代方案，尤其适用于资源有限的环境。LUCAS并非直接检测细胞的图像，而是通过捕获由每个细胞散射光与背景光干涉形成的细胞数字全息图来实现成像。对照明部分空间相干性的精确控制对于实现全息记录至关重要。

1. 数字传感器阵列

LUCAS 平台利用光电传感器阵列对单个细胞的全息图进行数字记录。为此，可使用电荷耦合器件（CCD；样品型号：KAI-11002、KAF-39000，来自柯达）或互补金属氧化物半导体芯片（CMOS，样品型号：MT9P031，Micron）。柯达电荷耦合器件 KAI-11002、KAF-39000 和 Micron CMOS 图像传感器的像素尺寸分别为 9 μm、6.8 μm 和 2.2 μm，其有效视场（FOV）分别为 10 cm²、18 cm² 和 24.4 mm²。[1-2]

2. 光源

与其他大多数显微成像方式不同，LUCAS 不需要激光，因此甚至可以使用简单的发光二极管（L....

讨论

我们已证明，LUCAS 平台能够基于微对象/细胞的全息特征，在芯片上准确计数并识别多种微小对象/细胞，为即时医疗诊断和高通量细胞生物学研究提供了有前景的工具。为了精确处理记录的全息图样，我们开发了一套定制的 LUCAS 决策软件。该算法利用通过 LUCAS 图像训练建立的统计衍射图像数据库，识别异质溶液中细胞的多种特征；对单个细胞的类型及其相对位置进行分类，并在应用阈值处理以剔除不需要的颗粒/细胞图样后，统计目标细胞类型的数量[1-3]。

总之，LUCAS 平台将为即时检验细胞计数和医学诊断提供一种经济高效且紧凑的解决方案。因此，LUCAS 尤其适用于资源有限地区对艾滋病患者的监测，以及其他与全球健康相关的问题，如疟疾和结核病。

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材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电荷耦合器件 (CCD)	KODAK	KAI-11002
电荷耦合器件 (CCD)	KODAK	KAF-39000
互补金属氧化物半导体 (CMOS)	Micron	MT9P031
氙灯	Newport Corp.	Cornerstone T260
真空镊子	Edmund Scientific	NT57-636
5、10 和 20 μm 微珠	Thermo Fisher Scientific, Inc.	4000 系列
RPMI	Fisher Scientific	1640
纯伊红 Y	Acros Organics	MW=691.85
新亚甲蓝 (NMB) 染料	Acros Organics	MW=347.90
一水草酸钾	Acros Organics	99.0% 分析纯试剂 (ACS)