空間光干涉顯微鏡

（Spatial Light Interference Microscopy，SLIM）

空間光干涉顯微技術是近年來發展出的一種新型成像技術，由美國伊利諾伊大學電子與計算機工程學教授蓋布利爾·波佩斯庫（Dr. Gabriel Popescu)開發并申請**，可以通過光來定量測量所有類型的細胞，并且保證獲得信息的精確性。空間光干涉顯微技術，可以通過光來定量。空間光干涉顯微技術（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胞質量，從而為有關細胞是以固定速率還是指數方式增長的學術爭論提供新視角。

空間光干涉顯微技術靈敏度非常高，在質量測量上達到了飛克（10克）級，而微米尺寸的小水滴重約為1000飛克。用這一技術可以測量單細胞的增長，甚至是細胞內的質量變化；不過，顯然它的應用范圍將是非常廣泛，而不僅限于細胞。“與其他顯微技術相比，SLIM一個明顯的優勢是，我們可以測量所有類型的細胞——細菌﹑哺乳動物細胞﹑粘連細胞﹑非粘連細胞﹑單個細胞以及細胞群，并且保證獲得信息的精確性。”不同于其他細胞成像技術，SLIM作為相襯顯微技術和全息成像術的結合體，不需要進行細胞染色等特別的前期準備。由于這一技術無須進入細胞，研究人員得以在自然狀態下對細胞進行研究；它使用白光，同時可以與其他傳統技術相結合，例如熒光，來監控細胞。可以結合更多的傳統方法，這是因為新技術是顯微鏡的附加功能，可以使用原來所有的傳統方法，同時把我們的技術組件加在上面。由于SLIM技術的高靈敏度，研究人員可以監控細胞周期內不同階段的情況。他們發現哺乳動物細胞只在G2期（DNA合成期）顯示出清晰的指數方式增長。這一發現不僅對基礎生物學有重要意義，而且對疾病診斷﹑藥物開發和組織工程學同樣意義重大。能用他們的新技術研究不同的疾病模型。例如，他們計劃以SLIM觀察正常細胞與癌細胞增長的區別，以及醫療對細胞增長速率的影響。該技術能在基礎生物學和臨床醫學研究上廣泛使用。

技術開發團隊：蓋布利爾·波佩斯庫課題組，實驗室：美國伊利諾伊大學生物工程系、電氣與計算機工程系、物理系、細胞與發育生物學系 伊利諾伊大學微納米技術實驗室 先進科技研究所定量光成像實驗室 貝勒醫學院生物化學與分子生物學系

蓋布利爾·波佩斯庫（Dr. Gabriel Popescu）課題組發明的光學成像設備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**技術開發的新型顯微鏡，能夠精準地完成定量相位成像（QPI）。這項技術采用非相干光源（如鹵素燈、LED燈等），可以獲得高品質的定量相位成像（QPI），同時這也是目前**一種能夠在散射介質中實現樣品定量相位成像（QPI）的技術。SLIM的獨特設計，使其特別適合活細胞的體外觀察實驗。SLIM擁有高端的倒置顯微技術平臺，其光學系統整體位于一個箱體單元內，且優異的機械設計足夠滿足用戶對實驗自動化的諸多需求。此外，SLIM活細胞定量相位顯微鏡的光學系統集成了熒光模塊、模擬DIC以及明場成像選項等，為用戶提供多種可選的成像模式。SLIM顯微鏡的上述特點，使其成為生物及生物科技領域**使用價值的研究設備。無論是研究細胞經特定處理后的反應（即使在散射嚴重不透明的介質內），還是監測包括有絲分裂在內的細胞生命周期，亦或是鑒定細胞死亡的不同形式，甚至分析細胞的生長、遷移、形態變化以及胞外基質成像等，SLIM顯微鏡都能夠**實現。

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工作原理:相襯顯微技術和全息成像術的結合體，不需要進行細胞染色等特別的前期準備

1. 有別于相差顯微鏡， 數字全息顯微鏡是基于獨特的相移顯微原理。光波在經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部不同物質折射率的影響而產生相移，這樣就攜帶上了物體的三維特征。

2. 獨特光路設計，和其他干涉技術一樣，數字全息顯微鏡產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不同物鏡自動調節參考光R的光程，使得兩束光的光程差總是符合產生干涉的條件，這種設計也使得各物鏡下達到共焦的效果。

3. 顯微鏡能夠實現三維形貌的實時呈現，得益于它非掃描機制。抓取單張全息圖的時間是由相機的快門速度決定的，因此數字全息顯微鏡能夠輕松實現普通視頻速率，比如30幀/秒。

4. 透明樣品，比如說細胞，利用傳統的相襯顯微鏡只能進行觀測。透射式的數字全息顯微鏡記錄光在經過細胞之后的相移信息，不僅能觀測細胞，還能進行三維重建和量化分析，因此也被稱為量化相襯顯微法。細胞中的相移是由細胞內不同組織細微折射率的變化引起的，因此數字全息顯微鏡觀測細胞無須對細胞進行任何標記，比如熒光染色，納米顆粒或是輻射，這樣不會對被觀測細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，全視場瞬態成像四維量測，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保養，共聚焦顯微鏡(Confocal Microscope)同樣采用掃描技術測量靜態三維形貌，單張測量時間較長因此也無法實現四維形貌測試。

主要特點：

1 細胞無損動態成像

2 無需染色，無需標記

3 細胞干質量測量

4 多模式成像

5 豐富的細胞分析方法

6 精準定量細胞邊界

7 散射介質中成像

8 支持7天以上長時成像

典型應用范圍：

1. 細胞生長研究

2. 細胞動態研究

3. 三維斷層成像

4. 神經科學研究，腦片，腦組織成像

5. 血液檢測研究

6. 生物醫學組織成像

應用介紹舉例： 無標記生物細胞觀測

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