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空間光干涉顯微鏡

（Spatial Light Interference Microscopy,，SLIM）

空間光干涉顯微技術(shù)是近年來發(fā)展出的一種新型成像技術(shù),，由美國伊利諾伊大學(xué)電子與計算機(jī)工程學(xué)教授蓋布利爾·波佩斯庫（Dr. Gabriel Popescu)開發(fā)并申請**，可以通過光來定量測量所有類型的細(xì)胞,，并且保證獲得信息的精確性,。空間光干涉顯微技術(shù),，可以通過光來定量,。空間光干涉顯微技術(shù)（Spatial Light Interference Microscopy,，SLIM）的成像方法,。這種方法能夠通過兩束光線來測量細(xì)胞質(zhì)量，從而為有關(guān)細(xì)胞是以固定速率還是指數(shù)方式增長的學(xué)術(shù)爭論提供新視角,。

空間光干涉顯微技術(shù)靈敏度非常高,，在質(zhì)量測量上達(dá)到了飛克（10克）級，而微米尺寸的小水滴重約為1000飛克,。用這一技術(shù)可以測量單細(xì)胞的增長,，甚至是細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)量變化；不過,，顯然它的應(yīng)用范圍將是非常廣泛,，而不僅限于細(xì)胞?！芭c其他顯微技術(shù)相比,，SLIM一個明顯的優(yōu)勢是，我們可以測量所有類型的細(xì)胞——細(xì)菌﹑哺乳動物細(xì)胞﹑粘連細(xì)胞﹑非粘連細(xì)胞﹑單個細(xì)胞以及細(xì)胞群,，并且保證獲得信息的精確性,?！辈煌谄渌?xì)胞成像技術(shù)，SLIM作為相襯顯微技術(shù)和全息成像術(shù)的結(jié)合體,，不需要進(jìn)行細(xì)胞染色等特別的前期準(zhǔn)備,。由于這一技術(shù)無須進(jìn)入細(xì)胞，研究人員得以在自然狀態(tài)下對細(xì)胞進(jìn)行研究,；它使用白光,，同時可以與其他傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，例如熒光,，來監(jiān)控細(xì)胞,。可以結(jié)合更多的傳統(tǒng)方法,，這是因?yàn)樾录夹g(shù)是顯微鏡的附加功能,，可以使用原來所有的傳統(tǒng)方法，同時把我們的技術(shù)組件加在上面,。由于SLIM技術(shù)的高靈敏度,，研究人員可以監(jiān)控細(xì)胞周期內(nèi)不同階段的情況。他們發(fā)現(xiàn)哺乳動物細(xì)胞只在G2期（DNA合成期）顯示出清晰的指數(shù)方式增長,。這一發(fā)現(xiàn)不僅對基礎(chǔ)生物學(xué)有重要意義,，而且對疾病診斷﹑藥物開發(fā)和組織工程學(xué)同樣意義重大。能用他們的新技術(shù)研究不同的疾病模型,。例如,，他們計劃以SLIM觀察正常細(xì)胞與癌細(xì)胞增長的區(qū)別，以及醫(yī)療對細(xì)胞增長速率的影響,。該技術(shù)能在基礎(chǔ)生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究上廣泛使用,。

技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)：蓋布利爾·波佩斯庫課題組，實(shí)驗(yàn)室：美國伊利諾伊大學(xué)生物工程系,、電氣與計算機(jī)工程系,、物理系、細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)系 伊利諾伊大學(xué)微納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 先進(jìn)科技研究所定量光成像實(shí)驗(yàn)室 貝勒醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系

蓋布利爾·波佩斯庫（Dr. Gabriel Popescu）課題組發(fā)明的光學(xué)成像設(shè)備SLIM,，空間光干涉顯微鏡,，這是一款基于名為相干控制全息顯微的**技術(shù)開發(fā)的新型顯微鏡，能夠精準(zhǔn)地完成定量相位成像（QPI）,。這項(xiàng)技術(shù)采用非相干光源（如鹵素?zé)?、LED燈等），可以獲得高品質(zhì)的定量相位成像（QPI）,，同時這也是目前**一種能夠在散射介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)樣品定量相位成像（QPI）的技術(shù),。SLIM的獨(dú)特設(shè)計，使其特別適合活細(xì)胞的體外觀察實(shí)驗(yàn)。SLIM擁有高端的倒置顯微技術(shù)平臺,，其光學(xué)系統(tǒng)整體位于一個箱體單元內(nèi),，且優(yōu)異的機(jī)械設(shè)計足夠滿足用戶對實(shí)驗(yàn)自動化的諸多需求。此外,，SLIM活細(xì)胞定量相位顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)集成了熒光模塊,、模擬DIC以及明場成像選項(xiàng)等，為用戶提供多種可選的成像模式,。SLIM顯微鏡的上述特點(diǎn),，使其成為生物及生物科技領(lǐng)域**使用價值的研究設(shè)備。無論是研究細(xì)胞經(jīng)特定處理后的反應(yīng)（即使在散射嚴(yán)重不透明的介質(zhì)內(nèi)）,，還是監(jiān)測包括有絲分裂在內(nèi)的細(xì)胞生命周期,，亦或是鑒定細(xì)胞死亡的不同形式，甚至分析細(xì)胞的生長,、遷移、形態(tài)變化以及胞外基質(zhì)成像等,，SLIM顯微鏡都能夠**實(shí)現(xiàn),。

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工作原理:相襯顯微技術(shù)和全息成像術(shù)的結(jié)合體，不需要進(jìn)行細(xì)胞染色等特別的前期準(zhǔn)備

1. 有別于相差顯微鏡,， 數(shù)字全息顯微鏡是基于獨(dú)特的相移顯微原理,。光波在經(jīng)過物體表面反射或者透過物體之后，受物體表面形貌或者是物體內(nèi)部不同物質(zhì)折射率的影響而產(chǎn)生相移,，這樣就攜帶上了物體的三維特征,。

2. 獨(dú)特光路設(shè)計，和其他干涉技術(shù)一樣,，數(shù)字全息顯微鏡產(chǎn)生干涉的前提是兩束光的光程差要小于相干長度,。由于觀測不同大小物體需要使用不同放大倍數(shù)的物鏡，因此物光O的光程會因此改變,。全息定量相位顯微鏡能根據(jù)不同物鏡自動調(diào)節(jié)參考光R的光程,，使得兩束光的光程差總是符合產(chǎn)生干涉的條件，這種設(shè)計也使得各物鏡下達(dá)到共焦的效果,。

3. 顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)三維形貌的實(shí)時呈現(xiàn),，得益于它非掃描機(jī)制。抓取單張全息圖的時間是由相機(jī)的快門速度決定的,，因此數(shù)字全息顯微鏡能夠輕松實(shí)現(xiàn)普通視頻速率,，比如30幀/秒。

4. 透明樣品,，比如說細(xì)胞,，利用傳統(tǒng)的相襯顯微鏡只能進(jìn)行觀測。透射式的數(shù)字全息顯微鏡記錄光在經(jīng)過細(xì)胞之后的相移信息,，不僅能觀測細(xì)胞,，還能進(jìn)行三維重建和量化分析,，因此也被稱為量化相襯顯微法。細(xì)胞中的相移是由細(xì)胞內(nèi)不同組織細(xì)微折射率的變化引起的,，因此數(shù)字全息顯微鏡觀測細(xì)胞無須對細(xì)胞進(jìn)行任何標(biāo)記,，比如熒光染色，納米顆?；蚴禽椛?，這樣不會對被觀測細(xì)胞造成任何損傷或是外在影響。

5. 與激光共聚焦confocal的比較,，全息定量相位顯微鏡采用非掃描 (non-scanning) 技術(shù),，全視場瞬態(tài)成像四維量測，單幀全息圖包含三維形貌信息,，縱向亞納米測量精度由激光本征波長決定,，使用普通顯微物鏡便于維護(hù)保養(yǎng)，共聚焦顯微鏡(Confocal Microscope)同樣采用掃描技術(shù)測量靜態(tài)三維形貌,，單張測量時間較長因此也無法實(shí)現(xiàn)四維形貌測試,。

主要特點(diǎn)：

1 細(xì)胞無損動態(tài)成像

2 無需染色，無需標(biāo)記

3 細(xì)胞干質(zhì)量測量

4 多模式成像

5 豐富的細(xì)胞分析方法

6 精準(zhǔn)定量細(xì)胞邊界

7 散射介質(zhì)中成像

8 支持7天以上長時成像

典型應(yīng)用范圍：

1. 細(xì)胞生長研究

2. 細(xì)胞動態(tài)研究

3. 三維斷層成像

4. 神經(jīng)科學(xué)研究,，腦片,，腦組織成像

5. 血液檢測研究

6. 生物醫(yī)學(xué)組織成像

應(yīng)用介紹舉例： 無標(biāo)記生物細(xì)胞觀測

得益于數(shù)字全息顯微鏡對生物細(xì)胞非侵入式的視覺化量化分析能力，多種在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注,。例如圖5所示,，數(shù)字全息顯微鏡可以測量單個血紅細(xì)胞的三維形貌，由于無需掃描,，測量過程是實(shí)時的,，因此也可以對多細(xì)胞進(jìn)行動態(tài)跟蹤分析。下圖展示了數(shù)字全息顯微鏡對酵母菌的動態(tài)跟蹤,，可以三維實(shí)時觀測酵母菌的移動和細(xì)胞分裂