细胞的原子力显微镜最佳成像条件研究

通过对不同处理条件和测试条件下人肝癌细胞SMMC-7721的原子力显微镜图像的分析和研究,得到了在大气环境和溶液环境中肝癌SMMC-7721细胞的最佳成像条件,同时建立了用原子力显微镜观测活细胞的实验方法.使用0.5%、1%、1.5%的戊二醛溶液固定细胞后再漂洗,变换原子力显微镜的扫描模式,调节扫描参量并在大气环境下观测以寻找该环境下的最佳成像条件;将用多聚赖氨酸处理基底后的培养细胞直接放置于生理溶液中用原子力显微镜进行溶液环境观测,比较扫描时限并分别改变环境液体类型、探针以及扫描频率,比较了不同条件下原子力显微镜图像的差异,在得出最优参量的同时对其相关原理进行了分析,建立了活细胞实时观测的实验方法.比较两种条件下的细胞图像发现,戊二醛溶液固定过的细胞与生理溶液环境中的活细胞有很大差别,在生理溶液条件下的细胞饱满,可见到光滑清晰的细胞边缘;但戊二醛溶液固定的细胞表面粗糙,细胞边缘不清晰,表明固定后观测到的细胞与生理状态下活细胞的表面形貌存在很大差异.     

一种使用高灵敏度荧光显微镜系统进行活细胞研究的方法

利用显微镜进行细胞观察和实验，一般的做法都是将细胞做成切片，细胞难免会受到损伤，从而影响实验及观察结果。为了使细胞研究更为准确，便于临床应用，开发、研制活细胞的观察工具是必由之路。以高灵敏度荧光显微镜为基础，合理设计了一种新型暗场照明器。这种新型暗场照明器的工作距离可达３００ｍｍ，完全可以满足为活细胞滴加试剂的需要，已采得经过荧光染色的活细胞图像。这一设计解决了一个非常实际的问题，为活细胞的医学研究奠定了坚实的基础。     

细胞低电压破碎及其效果的光学检测方法

为获取细胞的内容物(蛋白质, DNA, RNA等), 探讨光电子技术在细胞破碎方面的应用, 理论上引入了BHK21(幼仓鼠肾细胞)的初始跨膜电位, 对BHK21细胞跨膜电压模型进行修正。设计了细胞破碎的控制及检测系统。制作的细胞破碎芯片电极的宽度和间距均为50 μm, 每个电极的长度为0.4 cm, 电极厚度为0.5 μm。搭建了用于细胞破碎、控制及自动检测的检测系统, 系统中以倒置显微镜作为主要光路部件, 采用300万像素的CCD摄像头采集图像信息, 并基于显微数字图像处理软件实现细胞图像处理。实验表明, BHK21细胞破碎的最佳电压幅度为3 V, 脉冲宽度为3 ms, 所搭建的光学检测系统能够自动识别BHK21数字图像, 并能对在显微视窗中的BHK21细胞实现自动计数等功能。     

高清折反式视频显微镜

为了实现对细胞工厂中细胞的实时监测,设计一款高分辨率、长工作距离的视频显微镜。采用卡塞格林式物镜与折射式显微系统相结合的设计方法,在反射式系统中加入厚弯月形透镜补偿系统产生的像差,缩短光学系统的横向尺寸,校正像差。针对被观察细胞的具体特征,设计了一种工作距离100mm、分辨率1.2μm、线视场2mm的视频显微镜,达到高清水平,系统很好地校正色差、球差、场曲和畸变,达到了平场消色差显微镜的要求。实现对细胞状态的高清实时监测。     

超短脉冲激光微束对细胞作用的研究

本文详细地介绍了我们自己设计和安装的一个Nd:YAG超短脉冲激光微束系统,该系统分成二个部分:激光源和显微镜。由电光调Q非稳腔Nd:YAG激光倍频后得到355nm紫外光进入显微镜并由物镜聚焦。同时,这超短脉冲激光微束照射在细胞上并且在细胞上产生一个可以自恢复的小孔。在文中我们还讨论了超短脉冲激光微束与细胞之间作用效应及机理。     

基于显微光谱的组织切片细胞纳米结构研究

细胞纳米结构的探测对癌症的早期诊断以及筛查具有非常重要的意义。空域低相干相位显微镜可以探测细胞的纳米结构获取系统参数,但是显微镜的系统参数和细胞纳米结构参数之间存在着复杂的非线性相关关系,需要研究方法加以定量分析。因此,基于一维高斯场模型加一维多层介质模型模拟空域低相干相位显微镜的背散射光谱,实验结果表明模型预测结果与实际测量结果基本一致。对已知纳米结构的组织切片光谱建模, 通过统计方法分析了系统参数与细胞纳米结构参数的相关关系,验证了系统参数确实能反映细胞纳米结构参数的变化,并量化了系统参数的反映水平。研究成果为基于空域低相干相位显微镜的癌症早期诊断提供了新的理论基础和方法依据。     

体视学与激光共聚焦显微镜图像分析黑色素瘤细胞三维形态学参数的变化

体视学是由形态学与数学交叉形成的一门新兴学科,通过二维结构信息定量测量和分析三维形态结构特征。采用体视学点计数方法,对肿瘤细胞B16F10、B16/Vector及B16/GPR4各20组的共聚焦显微镜图像进行测量,定量分析了其三维形态参数的差异。对比三类细胞的体视学参数发现,对照组B16/Vector和原始细胞B16F10没有明显差异,实验组B16/GPR4的细胞比表面及相对形状因子参数与另两类细胞相比均表现出了显著性差异(p值分别小于0.05和0.02,即B16/GPR4细胞形态光滑,没有较多的突触和伪足),与前期Transwell小室细胞侵袭及迁移实验研究结果相吻合,体现出B16/GPR4细胞中G蛋白耦联受体4(GPR4)基因对细胞迁移性抑制的生物特性。研究结果表明,体视学和激光扫描共聚焦显微镜细胞图像的结合,可以实现细胞三维结构参数的快速测量,是细胞生物学尤其是细胞形态学分析的有效研究方法。     

物理学对生物医学动态研究的一项贡献——身体组份活体研究简介

 在生物及医学的发展道路上,物理学原理与技术的进展曾起了很关键的推动作用.1665年显微镜发明家、英国的R.Hooke观察软木切片时首先提出了细胞这一术语,随着光学显微镜的不断改善,高分辨、高倍数电子显微镜的出现,使生物及医学的研究取得了极大的成就.1953年Waston和Crick根据光散射、偏振红外及紫外吸收,特别是X衍射分析结果提出了DNA的双螺旋空间结构模型.     

一种数字化高灵敏度荧光显微镜及其在竹红菌甲素研究中的应用

研制了一种可探测细胞微弱光图像的数字化高灵敏度荧光显微镜，采用视频数字化增强型ＣＣＤ系统作为高灵敏度的接收系统，像增强器亮度增益为４１，０００，因而这种荧光显微镜可探测到普通荧光显微镜不能观察的微弱光图像，并可减少荧光物质的浓度和激发光的强度，减少对细胞自然生理环境的影响，数字化高灵敏度荧光显微镜在给出细胞微弱荧光图像的同时，并可给出图像上每一像元的发光强度和细胞平均发光强度，使用此仪器已首次直接     

泽尔尼克（Zernicke，Fritz，1888-1966）荷兰物理学家（Physicist，Northerlands）

泽尔尼克于1915年在阿姆斯特丹大学获得博士学位。他的重大贡献是在1934年发明了“相衬显微镜”。这种显微镜把衍射光的相位相对于入射光稍微作了一些改变，结果使得细胞中的不同目标带上了不同的颜色（这些目标在普通显微镜下看起来本米是没有颜色的），这样，细胞内的情况既能清晰可见，又不用给细胞染色，因而细胞不致被杀死。     

双光子技术在三维成像和三维存储技术中的应用

对双光子过程的空间分辨能力进行了理论分析。阐明了双光子技术在三维成像和三维存储中的独特优势。着重介绍了双光子技术与扫描共焦显微术、近场显微术相结合进行三维成像 ,以及一种多焦点多光子显微术和用连续光源激发的双光子三维成像技术的研究和进展情况。对建立在共焦显微镜基础之上的双光子三维光存储和微细加工方面的研究也作了回顾与展望     

显微光子计数成像系统的噪声抑制及定量测量标准的确立

显微光子计数成像系统是极其灵敏的弱光探测成像系统,为使其应用进一步深入微观领域,噪声问题是首先要解决的难题。通过噪声来源分析,光路、机械结构的合理设计,使噪声降低到光子计数成像系统的探测灵敏域之下;并在噪声极低的条件下,进行了一种同位素微弱光源的稳定性、均匀性的研究,发现这种微弱光源性能稳定、发光均匀,可以作为定量测量的标准,为以后的微弱发光实验进行定量分析;光子计数成像系统的合理噪声抑制以及定量测量标准的确立,将在微光探测方面产生重要的影响。     

Performance analysis of quantitative phase retrieval method in Zernike phase contrast X-ray microscopy

Since the invention of Zernike phase contrast method in 1930,it has been widely used in optical microscopy and more recently in X-ray microscopy.Considering the image contrast is a mixture of absorption and phase information,we recently have proposed and demonstrated a method for quantitative phase retrieval in Zernike phase contrast X-ray microscopy.In this contribution,we analyze the performance of this method at different photon energies.Intensity images of PMMA samples are simulated at 2.5 keV and 6.2 keV,respectively,and phase retrieval is performed using the proposed method.The results demonstrate that the proposed phase retrieval method is applicable over a wide energy range.For weakly absorbing features,the optimal photon energy is 2.5 keV,from the point of view of image contrast and accuracy of phase retrieval.On the other hand,in the case of strong absorption objects,a higher photon energy is preferred to reduce the error of phase retrieval.These results can be used as guidelines to perform quantitative phase retrieval in Zernike phase contrast X-ray microscopy with the proposed method.     

Element-selective mapping of magnetic moments in ultrathin magnetic films using a photoemission microscope

We combine X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and photoelectron emission microscopy to obtain locally resolved magnetic information on a microscopic scale. Scanning the photon energy across elemental absorption edges and recording microscopic images of the local secondary electron intensity for both photon helicities at each photon energy step allows to analyze local XMCD spectra at any position of the imaged area of the sample. With the help of magnetic sum-rules local quantitative information about magnetic moments can be extracted from such microspectroscopic measurements. The full power of XMCD as a spectroscopic tool is so maintained, while microscopic spatial resolution is added.     

X射线相衬成像光子筛

基于 Zernike相衬成像原理和光瞳切趾原理,提出一种将相位板和切趾光子筛集成为一个相衬显微物镜的 X射线相衬成像光子筛的设计方法.这种 X射线相衬成像物镜可以实现生物体组织或者其他弱吸收材料的高分辨率和高衬度成像.通过优化光子筛透镜的衍射结构,可以抑制成像系统的点扩展函数的旁瓣和消除高阶衍射焦点,从而提高成像分辨率;另外,将光子筛透镜和变相板合为一体,克服了成像透镜和变相板难以对准的缺陷.以高斯切趾光子筛为例,实验验证了设计方法的可行性. 关键词： X射线显微技术 相衬成像 光瞳切趾 光子筛     

Hybrid near-field optical memory and photofabrication in dye-doped polymer film

A hybrid near-field fluorescence microscopy, which combines near-field scanning optical microscopy and photon scanning tunneling microscopy, is demonstrated for nanoscale optical memory and photofabrication on spin-coated dye-doped polymer films. Storage capacity and readout signal-to-noise ratio with near-field one-photon and two-photon excitations are studied.     

Zernike apodized photon sieves for high-resolution phase-contrast x-ray microscopy

We present a type of diffractive lens, Zernike apodized photon sieves (ZAPS), used as the objective for high spatial resolution and high phase-contrast imaging of weakly absorbing materials in x rays. The structure of ZAPS is based on the combination of two concepts: apodized photon sieves and Zernike phase contrast. The ZAPS is a single optic that integrates the appropriate ±π/2 rad phase shift through selective zone placement shifts in an apodized photon sieve. Analysis of the focusing properties of the apodized photon sieve in terms of point-spread function show that the sidelobes have been significantly suppressed at the expense of slightly widening the width of the main lobe. In combination with synchrotron light sources, ZAPS offers new opportunities for high-resolution phase-contrast x-ray microscopy in the physical and life sciences.     

Photon emission from polycrystalline Ag induced by scanning tunneling microscopy: comparison of different tip materials

Photon emission from polycrystalline silver induced by scanning tunneling microscopy is studied for three different tip materials (Au, PtIr and W). Photon emission intensity curves as a function of the tip voltage are observed to be almost identical for platinum-iridium alloy and gold tips (and more than 10 times enhanced as compared with the tungsten tip). An evolution in topography and photon map for different applied voltages is investigated along with the study of the spatial distribution of photon emission in dependence upon the surface local differential height. It turns out that no clear correlation between a local curvature and enhancement of light emission can be found. Simultaneous measurements of tunneling current and photon intensity as a function of vertical tip displacement confirm the earlier observation, namely, that similar apparent barrier heights exist for both elastic and inelastic tunneling channels. The role of the tip material as well as its shape is discussed.     

双光子技术的应用研究进展

双光子技术在未来光电子集成、生物分子探测、医学诊断等领域具有巨大应用潜力和广阔应用前景。文章着重介绍了双光子过程在荧光显微成像、高密度数据存储以及微细加工等领域的应用研究进展。对影响双光子技术的应用和发展的相关领域的研究动态也进行了简要讨论。     

Three-dimensional color photon counting microscopy using Bayesian estimation with adaptive priori information

In this Letter, we propose a novel three-dimensional(3D) color microscopy for microorganisms under photonstarved conditions using photon counting integral imaging and Bayesian estimation with adaptive priori information. In photon counting integral imaging, 3D images can be visualized using maximum likelihood estimation(MLE). However, since MLE does not consider a priori information of objects, the visual quality of 3D images may not be accurate. In addition, the only grayscale image can be reconstructed. Therefore, to enhance the visual quality of 3D images, we propose photon counting microscopy using maximum a posteriori with adaptive priori information. In addition, we consider a wavelength of each basic color channel to reconstruct 3D color images. To verify our proposed method, we carry out optical experiments.