荧光衍射层析成像

背景

加州大学戴维斯分校的雪怡教授及其团队开发了用于脑成像和光遗传刺激的定制光学显微技术，旨在最大化通量、空间分辨率、成像深度和成像速度。

薛教授的项目之一是开发一种称为荧光衍射断层扫描的技术，薛教授解释她的工作：“这就像光学衍射断层扫描(ODT)，这是从多角度照明重建细胞或组织三维折射率的最传统方法。我们使用荧光衍射断层扫描(FDT)，因为我们是在体内研究组织，光无法像ODT那样从一侧透到另一侧。”

“FDT使用荧光光源，理论上任何荧光都可以，但我们在无标记样品下方使用红色荧光染料，然后使用单光子或双光子激发，荧光发射被无标记细胞散射衍射，我们可以进行衍射断层扫描。FDT还可以进行多模态成像，因此可以从单一数据集重建荧光和相位图像。”

“通过这种方式测量三维折射率，我们可以根据干质量的关系判断细胞内蛋白质的含量，因此它有可能作为指纹或生物标志物来检测癌细胞，我们也利用FDT来成像培养肉类。食物是世界上的真实问题，我们的合作者正在从干细胞培养到肌肉管，最终培养成牛排，我们可以用FDT来测量蛋白质浓度。这只是一个例子，我们还测量眼睛的折射率，这会随着年龄变化，以及许多其他应用。”

图1：FDT素材由Kinetix22在3D样本上获得。左侧为MDCK细胞单层(358.4 x 358.4 x 44 μm³)，曝光时间为20毫秒。右侧是一个肌肉管(530 x 530 x 300 μm³)，暴露时间为100毫秒。颜色代表折射率。

挑战

薛教授在工作中遇到了许多成像和光学挑战，她在这里仅描述了其中几项：“虽然我们确实使用单层MDCK细胞来测试或验证技术，但我们的主样本体积过大，无法进行ODT，其中一些最厚的样本是培养出的肉筋管，厚度超过300微米，我们确实目标是成像更深层。”

“在概念验证实验中，这些体积大且无标记的组织会在荧光涂层培养皿中培养。我们的荧光标记发射波长约为600纳米，因此需要一台该波长敏感的相机。来自厚组织的衍射荧光非常微弱，这导致信噪比面临挑战。我们希望能在大视场内成像这些大样本，同时也希望获得高分辨率成像，但这会增加重建算法的负担。”

薛教授需要一种多功能且强大的成像方案，能够在大范围内实现超高灵敏度成像。

Kinetix22多功能，能实现超高速和超灵敏成像，这对我的实验室非常棒，因为我们想用相机做很多不同项目，我对Kinetix没有任何抱怨。——易雪教授

解决方案

薛教授使用Kinetix22，这是这一新颖应用的理想解决方案。“我们需要Kinetix22的超灵敏度来进行荧光衍射断层扫描实验。Kinetix22非常多功能，有许多不同的模式，我们使用亚电子或灵敏度模式。这非常灵敏，曝光时间相对较长，因为我们不需要高帧率，但它在成像弱衍射荧光信号方面表现得非常好。我们拥有足够的信噪比重建优质图像，并已完成多篇手稿。”

“在微管理器里设置非常简单，我用了[Teledyne] Photometrics的Prime 95B很多年，所以设置Kinetix22完全没问题。”