展示了一种无透镜片上荧光显微成像平台，可利用基于压缩采样的解码算法，对例如>0.6–8 cm²的超大视场内的荧光物体进行成像，分辨率<4μm。这种紧凑型宽视场荧光片上成像方式在高通量细胞计数、稀有细胞研究和微阵列分析中具有重要应用价值。
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摘要
摘要
片上无透镜成像技术通常旨在用更简单、更紧凑的设计取代体积庞大的基于透镜的光学显微镜，尤其适用于高通量筛选应用。这一新兴技术平台借助新颖的理论和数字重构算法，有望消除对笨重和/或昂贵光学元件的需求。在此基础上，我们展示了一种片上荧光显微成像模式，无需使用任何透镜、机械扫描装置或基于薄膜的干涉滤光片，即可实现例如<4μm的空间分辨率，成像视场（FOV）超宽，可达>0.6-8 cm2。在该技术中，荧光激发通过棱镜或半球形玻璃界面实现，激发光源为非相干光源。激发光与整个样品体积相互作用后，在样品微流控芯片底部通过全内反射（TIR）过程被抑制。被激发样品发出的荧光信号则由光纤面板或锥形光纤收集，并传输至光电传感器阵列（如电荷耦合器件（CCD））。通过采用基于压缩采样的解码算法，所获取的样品无透镜原始荧光图像可被快速处理，从而获得例如<4μm分辨率、视场>0.6-8 cm2的高质量图像。此外，利用同一无透镜片上显微平台，还可成功成像垂直堆叠的微通道（例如通道间距为50-100 μm），进一步提升了该成像模式的整体通量。这一紧凑型片上荧光成像平台结合快速压缩解码算法，在高通量细胞计数、稀有细胞研究及微阵列分析中具有重要应用价值。
方案
在本节中，我们将回顾无透镜片上荧光显微镜平台的实验方法1-4。为了展示该技术的能力，我们将呈现针对荧光微粒和标记白细胞的片上成像结果。尽管此处未予讨论，相同的无透镜荧光显微镜平台也可用于成像小型模式动物，例如转基因C. elegans样本3。
1. 无透镜片上成像平台的设计
我们的无透镜片上成像平台包含多个光学组件，包括数字传感器阵列（例如CCD芯片）、非相干照明光源、棱镜、吸收滤光片以及光纤面板或光纤锥。如图1所示，这些组件与微流控装置集成，可在芯片上实现大样本体积的荧光成像，且无需使用任何透镜、机械扫描装置或基于薄膜的干涉滤光片。
- 数字传感器阵列： 我们的无透镜成像系统利用光电传感器阵列记录目标微小物体的荧光发射。在此平台上，为检测荧光信号，可采用多种类型的传感器阵列，例如电荷耦合器件（CCD，如型号：KAF-8300、KAI-11002、KAF-39000，均来自KODAK）和互补金属氧化物半导体成像器（CMOS，如型号：MT9T031C12STCD，来自Micron Technologies）。这些传感器阵列的关键参数包括像素尺寸（例如 5.4 μm, 9 μm, 6.8 μm 和 3.2 μm 对于KAF-8300、KAI-11002、KAF-39000和MT9T031C12STCD分别为）以....
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讨论
我们展示了一种片上荧光显微镜平台，可在无需任何透镜、机械扫描或薄膜干涉滤光片的情况下，实现例如<4μm的空间分辨率，视场范围可达例如>0.6–8 cm2。该技术利用光纤面板或锥形光纤，将来自样品的荧光发射信号通过一束二维排列的光纤电缆阵列收集，再传递至CCD/CMOS芯片等光电传感器阵列。随后，通过基于压缩采样/感知的解码算法，快速处理所获得的无透镜图像，从而在<4μm分辨率和>0.6–8 cm2的视场范围内成像。这种紧凑型宽视场荧光成像平台在高通量细胞计数、稀有细胞研究以及微阵列分析中可能具有重要应用价值。
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披露
未声明任何利益冲突。
致谢
A. Ozcan 感谢美国国家科学基金会（NSF）职业奖、美国海军研究办公室（ONR）2009年度青年调查员奖，以及美国国立卫生研究院（NIH）院长新创新者奖 DP2OD006427（来自NIH院长办公室）的支持。作者们还感谢比尔及梅琳达·盖茨基金会、沃达丰美洲基金会以及美国国家科学基金会BISH项目（资助编号 #0754880 和 0930501）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 电荷耦合器件（CCD） | KODAK | KAF-8300 | |
| 电荷耦合器件（CCD） | KODAK | KAF-11002 | |
| 电荷耦合器件（CCD） | KODAK | KAF-39000 | |
| 互补金属氧化物半导体（CMOS） | Micron | MT9T031C12STCD | |
| 高功率LED光源 | Thorlabs Inc. | M455L2-C2 | |
| 高功率LED驱动器 | Thorlabs Inc. | LEDD1B | |
| 光纤耦合LED光源 | Mightex | FCS-0625-000 | |
| 真空笔 | Edmund Scientific | NT57-636 | |
| 2、4、10 μm 荧光微球 | Invitrogen | F-8826, F-8859, F-8836 | |
| RBS裂解缓冲液1X | eBioscience | 00-4333 | |
| SYTO 16标记试剂 | Invitrogen | S7578 | |
| 光纤面板 | Edmund Scientific | NT55-142 | |
| 光纤锥形适配器 | Edmund Scientific | NT55-134 | |
| 棱镜 | Edmund Scientific | NT47-626, NT45-403 | |
| 滤光片 | Edmund Scientific | NT39-417 | |
| PDMS弹性体 | Dow Corning | Slygard 184 |
参考文献
- Coskun, A. F., Su, T., Ozcan, A. Wide field-of-view lens-free fluorescent imaging on a chip. Lab Chip. 10, 824-824 (2010).
- Coskun, A. F., Sencan, I., Su, T., Ozcan, A. Lensless wide-field fluorescent imaging on a chip using compressive decoding of sparse objects. <....
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