【生物通】高通量计算显微镜成像

图像:用于高通量定量相位显微镜的混合明暗场光强传输(HBDTI)方法显著扩展了传统显微镜的空间带宽乘积，扩展了傅立叶空间中可访问的样品空间频率，远远超出了传统相干衍射极限。   

细胞器参与细胞的多种生命活动。它们的功能障碍与癌症的发生和转移密切相关。对亚细胞结构及其异常状态的探索有助于深入了解病理机制，为早期诊断提供更有效的治疗。

光学显微镜，发明于400多年前，已经成为一个不可或缺的和无处不在的仪器，在许多科学和技术领域的微型物体的研究。特别是荧光显微镜技术实现了从二维宽视场、到三维共聚焦、再到超分辨率荧光显微镜技术的飞跃，极大地促进了现代生命科学的发展。

使用传统显微镜，由于未染色细胞的低吸收或弱散射特性，研究人员目前难以为其产生足够的内在对比度。特定的染料或荧光标记可以帮助可视化，但长期观察活细胞仍然很难实现。

近年来，定量相位成像(QPI)以其独特的能力以非破坏性的方式量化未标记样品的相位延迟显示出了希望。然而，成像平台的吞吐量从根本上受到其光学系统空间带宽乘积(SBP)的限制，而显微镜的SBP增加从根本上被其光学元件的尺度相关几何像差所混淆。这就导致了可实现的图像分辨率和视场(FOV)之间的权衡。

为了实现对亚细胞特征和事件的精确检测和定量分析，需要一种实现无标记、高分辨率和大视场显微镜成像的方法。为此，来自南京理工大学(NJUST)和香港大学的研究人员最近开发了一种基于混合明暗场照明的无标记高通量显微镜方法。据《高级光子学》报道，用于高通量定量相位显微镜的“混合明场-暗场光强传输”(HBDTI)方法显著扩展了傅立叶空间中可访问的样本空间频率，将可达到的最大分辨率扩展了约5倍于相干成像衍射极限。

基于照明复用和合成孔径原理，建立了非线性明场和暗场光强传输的正向成像模型。该模型使HBDTI具有提供超出相干衍射极限的特征的能力。该团队使用带有4倍0.16NA物镜的商用显微镜演示了HBDTI高通量成像，在大约7.19 mm²的视场内获得了488纳米的半宽成像分辨率，在相干照明的情况下，SBP增加了25×。

无创高通量成像技术可以在大规模的细胞研究中圈定亚细胞结构。通信作者、南京理工大学智能计算成像实验室(SCILab)的首席研究员Chao Zuo表示:“HBDTI为生命科学和生物医学研究提供了一个简单、高性能、低成本和通用的定量分析成像工具。鉴于其高通量QPI的能力，HBDTI有望为跨尺度检测和分析大量细胞群中的亚细胞结构提供强大的解决方案。”Zuo指出，需要进一步努力促进HBDTI在大群活细胞分析中的高速实施。

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Hybrid brightfield and darkfield transport of intensity approach for high-throughput quantitative phase microscopy