Name: 片上的无透镜荧光显微镜 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-08-17T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 23 s
Description: 学习片上无透镜荧光显微镜技术，利用压缩采样解码算法实现超宽视场高分辨率成像。该方法适用于高通量细胞计数和稀有细胞研究，为传统显微镜提供紧凑替代方案。

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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。

<ol><li>Coskun, A. F., Su, T., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wide+field-of-view+lens-free+fluorescent+imaging+on+a+chip%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Wide field-of-view lens-free fluorescent imaging on a chip.</a> Lab Chip. 10, 824-824 (2010).</li>
<li>Coskun, A. F., Sencan, I., Su, T., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lensless+wide-field+fluorescent+imaging+on+a+chip+using+compressive+decoding+of+sparse+objects%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Lensless wide-field fluorescent imaging on a chip using compressive decoding of sparse objects.</a> Opt. Express. 18, 10510-10523 (2010).</li>
<li>Coskun, A. F., Sencan, I., Su, T., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lensfree+Fluorescent+On-Chip+Imaging+of+Transgenic+Caenorhabditis+elegans+Over+an+Ultra-Wide+Field-of-View%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+ONE%22%5BJournal%5D)">Lensfree Fluorescent On-Chip Imaging of Transgenic Caenorhabditis elegans Over an Ultra-Wide Field-of-View.</a> PLoS ONE. 6, e15955-e15955 (2011).</li>
<li>Coskun, A. F., Sencan, I., Su, T., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wide-field+lensless+fluorescent+microscopy+using+a+tapered+fiber-optic+faceplate+on+a+chip%5BTitle%5D)+AND+%22Analyst%22%5BJournal%5D)">Wide-field lensless fluorescent microscopy using a tapered fiber-optic faceplate on a chip.</a> Analyst. , (2011).</li>
<li>Seo, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-Throughput+Lens-Free+Blood+Analysis+on+a+Chip%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">High-Throughput Lens-Free Blood Analysis on a Chip.</a> Analytical Chemistry. 82, 4621-4627 (2010).</li>
<li>Mudanyali, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compact%2C+light-weight+and+cost-effective+microscope+based+on+lensless+incoherent+holography+for+telemedicine+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Compact, light-weight and cost-effective microscope based on lensless incoherent holography for telemedicine applications.</a> Lab Chip. 10, 1417-1417 (2010).</li>
<li>Tseng, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lensfree+microscopy+on+a+cellphone%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Lensfree microscopy on a cellphone.</a> Lab Chip. 10, 1787-1787 (2010).</li>
<li>Lucy, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+iterative+technique+for+the+rectification+of+observed+distributions%5BTitle%5D)+AND+%22The+Astronomical+Journal%22%5BJournal%5D)">An iterative technique for the rectification of observed distributions.</a> The Astronomical Journal. 79, 745-745 (1974).</li>
<li>Richardson, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bayesian-Based+Iterative+Method+of+Image+Restoration%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am%22%5BJournal%5D)">Bayesian-Based Iterative Method of Image Restoration.</a> J. Opt. Soc. Am. 62, 55-59 (1972).</li>
<li>Biggs, D. S. C., Andrews, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acceleration+of+iterative+image+restoration+algorithms%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Acceleration of iterative image restoration algorithms.</a> Appl. Opt. 36, 1766-1775 (1997).</li>
<li>Candes, E., Wakin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+Introduction+To+Compressive+Sampling%5BTitle%5D)+AND+%22Signal+Processing+Magazine%2C+IEEE%22%5BJournal%5D)">An Introduction To Compressive Sampling.</a> Signal Processing Magazine, IEEE. 25, 21-30 (2008).</li>
<li>Kim, S., Koh, K., Lustig, M., Boyd, S., Gorinevsky, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+Interior-Point+Method+for+Large-Scale+L1-Regularized+Least+Squares%5BTitle%5D)+AND+%22Selected+Topics+in+Signal+Processing%2C+IEEE%22%5BJournal%5D)">An Interior-Point Method for Large-Scale L1-Regularized Least Squares.</a> Selected Topics in Signal Processing, IEEE. 1, 606-617 (2007).</li>
<li>Candes, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+restricted+isometry+property+and+its+implications+for+compressed+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Comptes+Rendus+Mathematique%22%5BJournal%5D)">The restricted isometry property and its implications for compressed sensing.</a> Comptes Rendus Mathematique. 346, 589-592 (2008).</li>
<li>Baraniuk, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compressive+Sensing+%5BLecture+Notes%5D%5BTitle%5D)+AND+%22Signal+Processing+Magazine%2C+IEEE%22%5BJournal%5D)">Compressive Sensing [Lecture Notes].</a> Signal Processing Magazine, IEEE. 24, 118-121 (2007).</li>
<li>Romberg, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+via+Compressive+Sampling%5BTitle%5D)+AND+%22Signal+Processing+Magazine%2C+IEEE%22%5BJournal%5D)">Imaging via Compressive Sampling.</a> Signal Processing Magazine, IEEE. 25, 14-20 (2008).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

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&lt;4μm的空间分辨率，视场范围可达例如&gt;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&lt;4μm分辨率和&gt;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。

<table><tbody><tr><td>电荷耦合器件（CCD） </td><td>KODAK</td><td>KAF-8300</td><td></td></tr><tr><td>电荷耦合器件（CCD）</td><td>KODAK</td><td>KAF-11002</td><td></td></tr><tr><td>电荷耦合器件（CCD）</td><td>KODAK</td><td>KAF-39000</td><td></td></tr><tr><td>互补金属氧化物半导体（CMOS）</td><td>Micron</td><td>MT9T031C12STCD</td><td></td></tr><tr><td>高功率LED光源</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>M455L2-C2</td><td></td></tr><tr><td>高功率LED驱动器</td><td>Thorlabs Inc.</td><td>LEDD1B</td><td></td></tr><tr><td>光纤耦合LED光源</td><td>Mightex</td><td>FCS-0625-000</td><td></td></tr><tr><td>真空笔</td><td>Edmund Scientific</td><td>NT57-636</td><td></td></tr><tr><td>2、4、10 &amp;mu;m 荧光微球</td><td>Invitrogen</td><td>F-8826, F-8859, F-8836</td><td></td></tr><tr><td>RBS裂解缓冲液1X </td><td>eBioscience</td><td>00-4333</td><td></td></tr><tr><td>SYTO 16标记试剂</td><td>Invitrogen</td><td>S7578</td><td></td></tr><tr><td>光纤面板</td><td>Edmund Scientific</td><td>NT55-142</td><td></td></tr><tr><td>光纤锥形适配器</td><td>Edmund Scientific</td><td>NT55-134</td><td></td></tr><tr><td>棱镜</td><td>Edmund Scientific</td><td>NT47-626, NT45-403</td><td></td></tr><tr><td>滤光片</td><td>Edmund Scientific</td><td>NT39-417</td><td></td></tr><tr><td>PDMS弹性体</td><td>Dow Corning</td><td>Slygard 184</td><td></td></tr></tbody></table>

芯片上的无透镜荧光显微镜技术

Lensless Fluorescent Microscopy on a Chip

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&lt;4μm的空间分辨率，成像视场（FOV）超宽，可达&gt;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&lt;4μm分辨率、视场&gt;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。

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&#62;0.6–8 cm²的超大视场内的荧光物体进行成像，分辨率&#60;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。

片上无透镜成像通常旨在用更简单、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……

本实验的总体目标是展示一种无需透镜的片上荧光显微成像平台，用于在超大视场范围内对荧光物体进行成像。为实现这一目标，首先将一层薄的吸收滤光片和一块光纤面板轻轻放置在光电传感器阵列（即CCDC moss）表面，然后将微流控芯片置于面板之上。接着，通过使用折射率匹配油，将棱镜与微流控芯片组装在一起。荧光激发通过菱形棱镜的侧表面实现，而全息照明则通过同一棱镜的顶表面完成。最终，可通过数字算法对采集到的荧光图像进行解码，从而获得高分辨率的显微图像。如有需要，可利用自主开发的界面自动计数解码后的荧光目标物体。芯片上的透镜。成像技术的总体目标是利用更简单、更紧凑的设计，取代基于传统笨重透镜的光学显微镜。这一新兴技术平台有望借助新颖的理论和数字重构算法，消除对庞大且昂贵光学组件的需求。芯片成像平台上的透镜组件列表包含多个光学部件，包括数字传感器阵列、非相干光源、棱镜、吸收滤光片以及光纤面板或光纤锥。在此平台上，可使用不同类型的传感器阵列来检测来自目标微小物体的荧光信号。在本视频中，将采用电荷耦合器件作为传感器阵列，并使用非相干光源（例如普通的发光二极管）进行荧光激发。如图所示，采用两种不同的激发光滤光方法并行工作，以产生所需的暗场背景。首先，使用玻璃棱镜或玻璃半球在承载待测样品的微流控芯片底面产生全内反射（TIR）。与此同时，使用一种低成本的吸收滤光片去除不遵循全内反射过程的微弱散射激发光。通过这两种机制成功抑制激发光后，探测器平面仅接收到样品的荧光发射信号。尽管探测数值孔径较大，传感器阵列上的原始荧光斑点仍会明显展宽，以利于设计并更好地控制该荧光信号的空间扩散。将在物平面与传感器平面之间放置一块光纤面板，作为常规面板的替代方案。锥形光纤面板的顶端比底端具有显著更高密度的光纤电缆，可通过放大实现更高分辨率的成像。该平台所用的微流控芯片通过在玻璃载片上放置聚二甲基硅氧烷壁来制造，以形成片上成像所需的微通道，从而开始无透镜片上成像平台的组装。首先，使用真空笔移除光电传感器阵列的盖玻片，然后轻轻地将一层薄吸收滤光片放置在探测器感光区域的上方。将光纤面板放置在该吸收滤光片上方。然后将制备好的微流控芯片直接置于光纤阵列之上。接着，使用折射率匹配油将玻璃棱镜组装在微流控芯片上方，使界面的折射率与玻璃的折射率相匹配。使用 FC 连接器将光源连接到光纤电缆。该操作过程中最困难的环节之一是组件的对准。需仔细调整各组件之间的距离、照明位置及角度。最后，将侧向照明光纤移近棱镜并调整其角度，以确保在对应于微流控芯片的玻璃-空气界面处发生全内反射。该芯片平台可用于成像底部基底、各种细胞或小型动物模型，但本演示中将以白细胞为成像对象。为用荧光染料标记白细胞，首先将约100微升全血与约1毫升红细胞裂解缓冲液混合，在室温下孵育约3分钟，然后离心裂解后的血液溶液。使用微量移液器去除上层后，将沉淀层重悬于磷酸盐缓冲液中，以荧光染料标记细胞的核酸，在重悬液中加入SYTO 16，然后在室温避光条件下孵育约30分钟。孵育30分钟后，离心标记后的样品。去除上清液，以减少未结合染料的荧光发射带来的背景噪声。Reese 已将约五毫升 PBS 加入白细胞沉淀层中并混匀。样品现已准备好，可加载至微流控芯片中，用于芯片上无透镜荧光成像。在对白细胞进行成像之前，必须使用荧光微珠对成像平台进行校准。使用去离子水和原始微珠溶液制备稀释的微珠样品。使用带锐利针头的注射器，从PDMS壁侧面将该初始样品注入微流控芯片中。组装好芯片上的荧光成像组件后，通过计算机使用自主开发的LabVIEW界面获取荧光微球的原始图像。务必检查在整个视场中至少有20个孤立的荧光微球图像。保存校准数据，后续将用于校准并提取无透镜荧光显微平台的点扩散函数。取出含有荧光微球样品的微流控芯片，并将棱镜从该芯片上拆下。从PDMS侧壁注入先前制备的白细胞样品至另一个未使用的微流控芯片中。在相同的实验条件下重新组装各组件，特别是保持距离和激发功率一致。使用与荧光微珠相同的软件参数，通过定制的实验室视图获取白细胞的原始图像。随后，在 MATLAB 中通过数字处理，利用校准数据和白细胞原始图像生成更高分辨率的图像。为便于比较，此处展示了宽场透镜荧光片上成像的结果，样本为含有 4 微米和 10 微米绿色荧光颗粒的混合物，成像放大倍数为 10 倍显微镜。还提供了客观图像，这些图像与所示的无透镜荧光图像吻合良好。接下来是宽场无透镜荧光成像的结果，样品为含有10 µm绿色和10 µm红色荧光微粒的混合物。无透镜荧光图像与相同样品的10×显微镜物镜图像具有较好的一致性。该图展示了 Lucy Richardson 去卷积与基于解码算法的压缩采样在成像多种 10 微米微珠对时的性能比较。第一行显示了无透镜的原始荧光图像，其中插图展示了使用 10 倍物镜所需的相同颗粒的显微镜对比图像。中间一行为压缩解码结果，最下面一行为 Lucy Richardson 去卷积结果。DDCS 和 DLR 分别表示中心到中心的距离以及显微镜图像、压缩采样解码的无透镜图像和 Lucy Richardson 去卷积处理的无透镜图像。接下来，展示了对透镜的数字处理，以及荧光度较低的原始图像的处理方法。采用基于压缩采样的算法，通过分辨紧密排列的直径为两微米的微珠对，实现了空间分辨率小于四微米的效果。插图展示了40倍显微镜物镜的对比结果，与解码后的荧光图像高度一致。此处 D 表示显微镜图像中的中心到中心距离，而 DCS 表示在 CS 解码透镜、荧光较弱的图像中的中心到中心距离。该图展示了荧光标记白细胞的无透镜成像结果。利用基于压缩感知（CS）的解码器，可快速解码原始的无透镜图像，解码结果与使用10倍物镜获取的同一标本的传统显微镜图像高度一致。除了成像功能外，还可通过自主开发的片上流式细胞仪应用界面，自动计数解码后的荧光物体。图中展示的是在Matlab中定制设计的自动化荧光物体计数界面。我们刚刚演示了在8平方厘米视场范围内，对标记细胞和微珠进行无透镜荧光显微成像的操作流程。这种成像平台结合了快速压缩解码器，将在高通量流式细胞术、微稀有样本分析以及活细胞研究应用中具有很高的可变性。

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生物工程

片上的无透镜荧光显微镜

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基于液滴的微流控平台有望用于高通量实验，因其能够以千赫兹速率低成本生成皮升级、自成隔室的微小反应容器。通过与快速、灵敏且高分辨率的荧光光谱方法相结合，可高效地提取、利用并整合这些系统中产生的大量信息。...

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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&lt;1 μm × &lt;1 μm × &lt;3 μm，成像体积可达15–100...

无透镜片上断层显微技术结合多角度照明与像素超分辨率

本视频演示了在微流控芯片内培养的大鼠海马神经元的免疫荧光染色，用于分析神经元的成熟与连接性。...

微流控芯片内大鼠海马神经元的荧光免疫染色

关键词：微流控芯片，大鼠海马神经元，荧光免疫染色，神经元培养，细胞分隔，轴突，树突，免疫荧光，神经生物学

我们回顾了近期在手机上利用紧凑且低成本的光流控附件集成荧光显微镜与成像流式细胞术工具的研究成果。这些基于手机的微分析装置可能适用于细胞计数分析，例如执行多种细胞计数任务，或在资源有限的环境中对水样等样品进行高通量筛选。...

基于手机的宽场荧光显微镜与荧光成像流式细胞术

细胞间通讯对于调控细胞内外多种生理活动至关重要。本文介绍了一种用于测量单个细胞分泌物时空特性的实验方案。为实现这一目标，采用了一种多学科交叉的方法，将无标记纳米等离子体传感技术与活细胞成像相结合。...

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单分子荧光显微镜在平面支撑双层膜上的应用

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无透镜视频显微技术用于贴壁细胞培养的动态定量分析

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激发扫描高光谱成像显微技术高效区分荧光信号

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