February 8th, 2014
弱散射物体的三维位置可被唯一地识别利用数字内嵌全息显微镜(DIHM),它涉及到一个小的修改,以一个标准的显微镜。我们的软件使用加上瑞利 - 索末菲反向传播,得到三维位置和微观相对象的几何形状的简单的成像启发式。
以下实验的总体目标是重建一连串游泳细菌细胞在几何结构中的 3D 位置。这是通过首先将细菌细胞培养到正确的浓度以提供合适的成像样品来实现的。第二步,设置 LED 光源并对齐,从而获得全息图像。
接下来,使用重建软件来获得细菌细胞链的 3D 坐标。结果表明,能够基于全息成像重建细菌细胞的 3D 位置和构型。与共聚焦显微镜等现有方法相比,该技术的主要优点是可以在高帧速率下进行无标记体积成像。
开始接种时,将 10 毫升 KTY 培养基与来自链球菌菌株 V 4 0 5 1 1 97 冷冻原液的冰晶一起在 35 摄氏度和 150 RPM 的旋转振荡器中孵育过夜。一旦它长大,用 500 μL 来自饱和发酵剂培养物的 500 mL 接种 10 mL新鲜 KTY 培养基。在 35 摄氏度和 150 RPM 下孵育 3.5 小时,直到细胞在 600 纳米波长处达到 0.8 至 1.0 的光密度。
这大约是每毫升 10 到 8 个细胞的 5 倍。然后在新鲜培养基中以 1 到 400 的比例稀释细胞,以获得每毫升约 100 万个细胞的最终浓度。接下来,用凡士林填充注射器,并在显微镜载玻片上制作一个 1 毫米高的油脂环。
然后将一滴样品溶液滴在中心。将盖玻片轻轻放在样品上,轻轻按压玻璃杯以密封边缘,确保液体与载玻片和盖玻片接触。所得样品室的深度应为 100 至 200 微米。
将 60 倍油浸透镜旋转到位并加入一滴油。然后将样品室放在显微镜载物台上,盖玻片朝下。确保在玻璃盖玻片和镜头之间没有形成气泡。
聚焦于样品室的底面,然后聚焦冷凝器。接下来,关闭标准照明并将 LED 灯头放在显微镜的聚光镜孔径后面。确保将冷凝器设置为明场模式,并将 LED 电源设置为最大输出。
然后将聚光镜孔径关闭到最大范围,并轻推其支架中的 LED,直到照明以物镜孔径为中心。打开计算机,然后将光路重定向到显微镜的相机端口。在图像采集软件中,将帧速率调整为每秒 30 帧,将图像大小调整为 5 个 12 x 5 个 12 像素。
检查图像强度直方图,以确保图像的任何部分都未饱和或曝光不足。帧曝光时间应尽可能短,同时保持良好的对比度。如果细胞聚集在界面附近,请重新聚焦显微镜,使细菌细胞略微散焦。
细胞应位于距焦平面约 10 至 30 微米的位置,以实现最佳重建。重新聚焦后,获取一系列视频帧并保存为未压缩的 VI 文件。然后启动可免费下载的 DIHM 软件,将视频帧转换为数字重新聚焦的图像堆栈。
软件提供了示例帧以开始重建。将感兴趣的框架及其背景作为单独的图像文件输入到框中。在没有全息图的情况下,背景图像公平地表示视频的背景,并将用于抑制任何可能干扰全息定位和分析的固定模式噪声。
接下来,在全局设置框中输入输出堆栈参数。首先,输入开始聚焦中第一帧的轴向位置。然后以步长数输入重建堆栈中的切片数,最后,以步长输入堆栈中每个切片之间的实际距离。
将步长设置为与横向像素间距相同,以便使用示例数据以正确的比例重建对象。该值应为 0.233 微米。接下来,输入相机的照明度、波长和中等折射率以及横向采样频率。
在每微米像素盒中,可以通过将物镜放大倍率除以相机传感器像素大小来找到相机的横向采样频率。使用示例数据,该数字将是 60 x 除以 14 微米,等于每微米 4.29 像素。然后,如果全息影像中的对象中心是深色的,请按翻转 Z 渐变按钮。
这将应用一个滤镜,提取原始样本中焦平面下方的对象。然后打开带通滤波器,该滤波器负责抑制噪声像素对图像的贡献。它在生成后立即应用于每个图像切片。
接下来,检查中间输出开关 on off 状态并确保它们处于打开状态。当这些开关打开时,将导致创建两个视频。第一个输出是文件名以堆栈 a V 结尾的重新聚焦堆栈,第二个堆栈是文件名以渐变 a VI 结尾的实际渐变作。理想情况下,第二个堆栈将包含感兴趣的对象,在深色背景下突出显示为明亮对象。
设置完所有参数后,在主窗口中按 run 执行命令。所选框架将出现在软件的主框中。然后使用图像左侧工具栏上的放大镜工具进行放大和缩小。
使用矩形工具选择感兴趣区域或 ROI,并在矩形内捕获尽可能多的全息图条纹,以优化重建。最后,按下 process 按钮生成两个单独的图像堆栈。使用此网站上提供的图像 J 检查生成的堆栈。
如果可以在渐变图像堆栈中清楚地看到感兴趣的对象,请继续执行 rendering 部分以提取对象坐标。要开始渲染,请按特征提取按钮以启用 X、Y、Z 坐标定位功能。然后输入输出坐标文件的路径和扩展名,在输出坐标样式框中选择 POV 光线样式。
这会导致程序编写一个对象文件,该文件可以使用免费的 POV 光线跟踪软件包(可从本网站获得)进行可视化,重新处理图像以提取对象坐标。该程序将在选定的 ROI 中提供一系列 X、Y、Z 坐标,这些坐标写入输出线框中的文件名。提取对象坐标所需的时间比生成堆栈所需的时间要长得多。
确保重建代码随附的示例 POV 射线文件与输出坐标文件位于同一文件夹中。编辑示例点 pov 文件,并将文件名替换为该行的倒逗号。包括 my file NC 以及重建代码生成的数据文件的名称。
然后在 POV 光线中自定义摄像机位置、照明、纹理和渲染选项。完成后,单击 run 按钮以渲染位图图像。这是一张瞬间定向的链球菌链的图像。
End on to the focal plane(结束到焦平面)。这种配置中的对象难以重建,并且通常会在焦平面附近产生一个斑点。此处显示的是正确渲染的图像,代表了该系列中的大多数帧,其中链不是直接沿光轴定向的。
对象的形状和位置在渲染中忠实再现,如右侧面板中所示。一旦掌握了这项技术,就可以在几分钟内完成。
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本研究展示了使用数字内嵌全息显微镜(DIHM)重建游动细菌细胞的三维位置和几何形态。该技术允许高帧率的无标记体积成像,相比传统方法具有显著优势。
Digital inline holographic microscopy (DIHM) enables label-free volumetric imaging of weakly-scattering biological samples at high frame rates, addressing a key limitation in live-cell imaging where traditional methods require labeling or lack 3D spatial resolution. This capability supports early discovery workflows by providing quantitative, model-free measurements of cellular position and geometry in native conditions, reducing mechanistic ambiguity in target validation and phenotypic screening. The technique’s compatibility with standard imaging hardware and scalable sample volumes positions it as a reusable platform for de-risking therapeutic hypotheses in discovery biology.
DIHM fits within the discovery continuum from hypothesis testing in early biology to lead identification and preclinical validation, particularly where label-free, volumetric, and dynamic imaging are required to compare experimental conditions.