无透镜光学断层成像是一个三维显微技术，在x、y和z方向上的空间分辨率分别达到<1 μm × <1 μm × <3 μm，成像体积可达15–100 mm3，特别适用于与芯片实验室平台的集成。
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摘要
摘要
断层成像技术在医学领域已被广泛应用，因其能够提供不同尺度物体的三维（3D）结构信息。在微米和毫米尺度上，光学显微技术的应用日益增多，这得益于可见光的非电离特性，以及丰富的照明光源（如激光器和发光二极管）和探测元件（如大尺寸CCD和CMOS探测器阵列）的可用性。近年来发展的光学断层显微技术包括光学相干断层成像、光学衍射断层成像、光学投影断层成像以及光片显微镜技术1-6。这些平台可对细胞、微生物以及模式动物（如C. elegans、斑马鱼和小鼠胚胎）进行断层成像。
现有的三维光学成像仪通常具有相对庞大且复杂的结构，限制了这些设备在先进实验室之外的普及，并阻碍了其与芯片实验室平台和微流控芯片的集成。为了提供一种替代性的断层显微技术，我们近期开发了无透镜光学断层成像（lensfree optical tomography, LOT），作为一种高通量、紧凑型且成本低廉的光学断层成像模式。7 LOT摒弃了透镜和庞大光学元件的使用，转而依赖多角度照明和数字计算，从而在大成像体积上实现对微小物体的深度分辨成像。LOT可在15–100 mm3的大成像体积内，对生物样本实现空间分辨率分别优于<1 μm（x方向）、<1 μm（y方向）和<3 μm（z方向）的成像，尤其适用于芯片实验室平台。
方案
1. 成像设置
LOT 可以组装成紧凑轻便的可现场携带式结构8，也可另选组装为具备分段成像能力的光流控显微镜9。然而，在本报告中，我们将描述用于静态样品断层成像的台式实现的基本成像装置。
- 照明模块： 在LOT中，可以使用部分相干光源，例如发光二极管（LED）。为了提高实验灵活性，我们采用配备氙灯的单色仪（Cornerstone T260，Newport Corp.）。将单色仪调节至输出光谱宽度约为1-10 nm，中心波长位于 例如 450-650 nm。该部分相干光随后耦合至多模光纤（Thorlabs AFS105/125Y），以将部分相干光传输至系统。
光纤安装在电动旋转台（Thorlabs PRM-1Z8，由Thorlabs TDC001控制器驱动）上，以调节照明角度。将带有光源的电动旋转台安装于二维线性X-Y平移台（Newport ILS50CC，由Newport MFA-PPD控制器驱动）上，用于在给定角度下实现光源在平面内的位移。 - 检测： 无透镜光学断层成像是可扩展的技术，可根据应用需求选择探测器阵列，而无需显著改变图像采集步骤或数据处理流程。本报告中采用的CMOS传感器阵列具有5百万像素，像素尺寸为 2.2 μm （IDS成像，UI-1485LE-M）。该探测器用于记录宽视场（....
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讨论
需要强调的是，片上无透镜全息显微镜独特的几何结构是实现像素超分辨率和断层成像的关键因素。由于所记录的图像并非如非相干接触成像方法12中假设的投影图像，而是投影全息图，因此可以通过全息重建对透射光传播至探测器过程中的衍射效应进行数字校正。因此，样品与传感器之间距离的变化可以被有效补偿。此外，由于样品与传感器之间的距离通常约为 ~0.5–5 mm，而光源距离样品约 4–10 cm，因此实现亚像素位移并不需要大幅移动光源。结果表明，仅将光源移动 50–100 μm 即可在探测器平面上实现亚像素位移，从而避免在i)照明方向/视角以及ii)每个光源位置下的有效样品-传感器距离上产生不必要的变化。若不加以控制，这些变化可能导致像素超分辨率图像中出现显著的像差。因此，在给定角度下，每个光源位置记录的全息图实际上可被视为同一全息图像的亚像素位移版本。此外，无透镜光学断层成像几乎无需对准的设计使其能够非常简便地在不同角度记录投影全息图，只需旋转光源7,9，或在不同角度使用多个光源（如LED）.......
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 线性 X-Y 平台 | Newport Corp. | MFA-PP | 微型线性平台 |
| 电动旋转平台 | Thorlabs | PRM1Z8 | 电动精密旋转支架 |
| 多模光纤 | Thorlabs | AFS105/125Y | 多模光纤 |
| 光源 | Newport Corp. | 6255 | 无臭氧氙灯 |
| 单色仪 | Newport Corp. | 74100 | Cornerstone 260 1/4 m 单色仪 |
| CMOS 传感器阵列 | Aptina Inc. | MT9P031STC | 500 万像素 CMOS 传感器 |
| C. elegans 样品 | Carolina Biosupply | 173500 | 野生型 C. elegans |
| 左旋咪唑 | Sigma Aldrich | L9756-5G | 盐酸四咪唑 |
参考文献
- Schmitt, J. M. Optical coherence tomography (OCT): a review, J. Sel. Top. Quant. Elect. 5, 1205-1215 (1999).
- Keller, P. J., Schmidt, A. D., Wittbrodt, J., Stelzer, E. H. K. Reconstruction of zebrafish early embryonic development by scanned light sheet microscopy. Science. 322, 1065-1069 (2008). <....
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