1 北京理工大学医学技术学院，北京 100081
2 北京理工大学自动化学院，北京 100081
3 中国船舶集团有限公司系统工程研究院，北京 100094
4 北京理工大学集成电路与电子学院，北京 100081
长时程细胞成像及分析在生物医学研究中具有重要意义。然而，由于荧光显微镜存在光漂白和光毒性等问题，其应用受到一定限制。非标记成像技术为克服这些限制提供了可行的解决方案。研究了干涉光谱分析技术作为解决非标记长时程活细胞监测问题的潜在方法，并提出了一种基于高光谱干涉重构的非标记定量显微成像技术。通过建立描述干涉信号的数学模型，设计样本定量重构算法，从而获取活细胞纳米结构和干质量分布的定量信息。系统采用自反射式干涉结构，不依赖复杂的光学调制元件，结构简单、操作便捷。此外，本文还在光学显微成像的基础上集成了具有细胞培养能力的微型细胞培养箱，实现了原位长时程成像。利用该系统，研究了不同细胞全细胞周期内的纳米结构定量和干质量变化，展示了本工作在生物医学领域的应用潜力。
计算成像 定量干涉 非标记成像 纳米级精度 原位细胞监测
戴太强 1,2,3,4马英 5杜宇轩 1,2,3,4侯燕 1,2,3,4[ ... ]孔亮 1,2,3,4,*
1 口颌系统重建与再生全国重点实验室，陕西 西安 710032
2 国家口腔疾病临床医学研究中心，陕西 西安 710032
3 陕西省口腔疾病临床医学研究中心，陕西 西安 710032
4 第四军医大学口腔医院颌面外科，陕西 西安 710032
5 西安电子科技大学物理学院，陕西 西安 710171
6 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
分离培养SD大鼠骨髓间充质干细胞，传代纯化后接种至共聚焦培养皿，置于自主研发搭建的平场定量相位显微镜下，利用荧光及相位双通道证实线粒体特征后，进行长时间无标记观察，分析平场定量相位显微镜观察到的线粒体分裂、融合过程，以及细胞凋亡过程中的线粒体变化。平场定量相位显微镜无标记观察到的线粒体可与荧光标记的线粒体完全重叠，表明平场定量相位显微镜可以清晰观察线粒体并进行无标记高分辨率成像。同时，平场定量相位显微镜可以对培养条件下的骨髓间充质干细胞进行长时间无标记观察，并高分辨率记录线粒体分裂、融合过程。此外，还利用平场定量相位显微镜首次完整记录了CCCP作用下线粒体的变化，该变化直观地呈现了线粒体途径的细胞凋亡过程。平场定量相位显微镜可以对培养的细胞进行长时间无标记高分辨率观察，为线粒体动力学的研究提供了一种新的观察手段。
无标记成像 平场定量相位显微镜 骨髓间充质干细胞 线粒体动力学 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618020
1 南开大学现代光学研究所，天津 300350
2 应用光学国家重点实验室，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
3 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
4 汕头市中心医院乳腺疾病诊疗中心，广东 汕头 515041
5 汕头市中心医院临床医学研究中心，广东 汕头 515041
三次谐波源于强脉冲激光照射样品时产生的三倍频光响应，可对生物组织实现无标记、亚细胞量级分辨率、近乎实时的成像。通过与二次谐波信号和双/三光子荧光信号相结合，三次谐波显微成像可在肿瘤术中揭示肿瘤组织的典型病理特征信息，比如细胞增生与血管增生等，从而为医生判断肿瘤边界进而做出肿瘤组织彻底切除与否的决策提供实时帮助。本文阐述了三次谐波显微成像的基本原理，讨论了它在肿瘤术中诊断方面的应用，探讨了基于三次谐波的小型化便携术中诊断仪器，并总结了三次谐波内窥成像的发展现状，这些内容的讨论有望推动三次谐波成像技术的临床化。
医用光学 三次谐波成像 无标记成像 肿瘤诊断 小型化 内窥成像
南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
全场光学相干层析术(FF-OCT)探测生物组织亚细胞水平折射率扰动的本征信号，为无标记成像提供了丰富的显微结构信息。动态全场光学相干层析技术(D-FFOCT)结合全场OCT低相干层析成像与动态散射光测量原理，可为细胞或组织提供亚细胞动态对比度。介绍了近年来D-FFOCT技术的发展，讨论了基于D-FFOCT的多模态成像技术，分析了成像系统的空间分辨率、信噪比和成像深度。针对目前D-FFOCT干涉信号易受扰动而产生图像伪影缺陷的问题，分析比较了运用高速相机、瞬时移相法、基于希尔伯特变换的算法和基于奇异值分解的图像滤波算法等消除伪影的方法，概述了D-FFOCT在基础生物学、精准医疗领域和药物研究方面的研究，并展望该技术在这些领域的发展前景和未来研究方向。
生物光学 无标记成像 全场光学相干断层扫描技术 动态散射光测量 图像伪影 精准医疗
1 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049
2 西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049
3 西安交通大学第一附属医院检验科，陕西 西安 710061
折射率是生物样本最重要的光学属性，经常作为内源性“标记物”进行无标记定量成像。虽然通过测量光程差获取相位信息的传统定量相位成像方法已被广泛研究，然而其获取的相位结果是样本折射率与厚度的耦合产物，无法重建三维形态学信息。近年来，以光学投影层析方法为开端，研究人员率先开启了以三维折射率定量成像为目标的形态学特征重建方法研究。然而光学投影层析方法未考虑衍射效应，导致其精度不足。为解决该问题，基于散射反演求解的光学衍射层析技术应运而生，并在无标记生物三维成像方面展现出巨大的潜力。本文锁定生物折射率三维无标记定量成像研究，聚焦光学投影层析和光学衍射层析两种方法的发展历程，从正向测量模型、反演算法以及实现方法三方面进行综述，并对该研究未来的工作进行展望。
医用光学 三维显微成像 无标记成像 折射率定量成像 光学投影层析 光学衍射层析 散射反演
1 北京航空航天大学生物与医学工程学院北京市生物医学工程高精尖创新中心，北京 100191
2 北京大学生物医学前沿创新中心，北京，100871
生物样品存在着丰富的物质信息，每一种物质都有其自身独特的性质及功能，对这些物质在生物体内的产生、转运、分布等进行研究可以使我们更加深入地了解生物系统。具备良好化学特异性的光学显微镜为这些研究提供了强大且可靠的工具。拉曼散射技术由于解决了荧光显微镜所需的外源性标记所带来的问题，极大地促进了生物医学的发展。高光谱相干拉曼散射（hyperspectral coherent Raman scattering，HS-CRS）技术可对不同成分物质进行无标记化学成像，通过同时提供图像和光谱信息，对样品内物质的性质、含量和分布状况做出判断，为科研人员提供了更多维度的物质信息。HS-CRS技术在近几十年内进行了不断的技术更新并在生物医学领域完成新的技术应用，本文对主要的HS-CRS技术的实现形式及方案进行了介绍，并总结了HS-CRS技术在生物医学领域的应用。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617003
1 深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室, 深圳 518060
2 深圳大学医学部, 深圳 518060
由β-淀粉样蛋白(Aβ)生成的Aβ斑块是阿尔兹海默症(AD)产生的重要病理特征之一。在阿尔兹海默症治疗的相关研究中,实现对Aβ斑块的有效检测和降解是需要解决的重要科学问题。由于Aβ单体聚集成斑块后具有较强的自体荧光,因此本研究利用非线性光学成像方法实现对Aβ斑块的无标记成像,同时利用光敏剂的光动力效应对Aβ斑块进行降解。比较了不同浓度下光敏剂对Aβ斑块的降解效果,制备了相应的脂质体并成功地将其用于对Aβ斑块的降解。探讨了无标记光学成像及光动力疗法在阿尔兹海默症研究中的潜在应用价值,为优化阿尔兹海默症的诊断和治疗提供了新的途径。
医用光学 无标记成像 非线性光学成像 光动力治疗 阿尔兹海默症 纳米脂质体
深圳大学物理与光电工程学院, 电子器件与系统教育部/广东省重点实验室, 广东 深圳 518060
相干拉曼散射显微技术作为一种新型的成像技术,具有无标记、高特异性、非侵入等优点,已被广泛用于化学结构及物质成分分析。近年来,光子学、生物医学和显微成像技术等领域的相互交叉和融合发展,极大地推动了相干拉曼散射显微成像技术在生物医学领域的应用。简要介绍了相干拉曼散射显微成像的基本原理、分类、系统构成,同时概述了相干拉曼散射显微成像技术近年来在生物医学领域的应用,包括检测、脂类分析和蛋白质构象变化等,最后对其未来发展进行了展望。
生物医学 相干拉曼散射显微技术 相干反斯托克斯拉曼散射 无标记成像 受激拉曼散射成像
1 中国科学院微电子研究所微电子仪器设备研发中心, 北京 100029
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 集成电路测试技术北京重点实验室, 北京 100088
介绍了一种利用倏逝波界面散射对单个纳米颗粒进行无标记成像的方法。分别使用全内反射(TIR)倏逝波与表面等离激元(SPPs)两种倏逝波与单个纳米颗粒相互作用,激发纳米颗粒极化并发生散射,所产生的界面散射与入射倏逝波发生干涉,形成了纳米颗粒极化场与抛物线形干涉条纹的特征成像。分别对直径为500,200,100 nm的聚苯乙烯颗粒进行了单个纳米颗粒无标记成像。比较了两种倏逝波界面散射对单个纳米颗粒成像结果,发现表面等离激元界面散射成像中的单个纳米颗粒极化强度约是全内反射极化强度的10倍,并且接近于暗场成像。因此,表面等离激元界面散射对单个纳米颗粒无标记成像具有更高灵敏度。所提单个纳米颗粒无标记成像方法可以拓展到病毒检测、生物单分子成像等领域。
表面光学 无标记成像 单个纳米颗粒 倏逝波界面散射 全内反射 表面等离激元
耶拿大学莱布尼茨光子技术研究所, 物理化学研究所, 阿贝光子中心, 耶拿D-07745，德国
理解疾病成因、识别早期疾病、靶向疾病治疗、预测治疗反应以及成功治疗疾病是现代生物医学的几项基本愿景。在过去的几年中,随着光学与光子学的发展,人们见证了光学与光子学具备迎接这些挑战的潜力。在这种情况下,如拉曼光谱等方法尤其值得关注。介绍了无损线性和非线性拉曼光谱方法在临床诊断中的应用。展现了一种基于芯片的细菌分离技术,用于快速识别病原并探测其对抗生素的抵抗力,这对病人的生存至关重要。并报告了这一技术如何应用于识别血液循环中的肿瘤细胞并同时监测其治疗药物。此外,还介绍了光谱方法在体外和体内的组织病理学中的应用,以对癌症进行早期诊断。
拉曼光谱 免标记成像 分子成像 反斯托克斯显微镜 Raman spectroscopy label-free imaging molecular imaging CARS microscopy
