应用于植物生理状态检测的低成本叶绿素荧光成像系统

[目的/意义]植物光合作用过程中释放的叶绿素荧光与光化学反应紧密耦合,其荧光信号采集是光合作用效率、植物生理及环境胁迫等无损的测试手段。作为获取该信号的叶绿素荧光成像系统通常价格昂贵,针对此问题,本文提出一种低成本叶绿素荧光成像系统设计方案。[方法]叶绿素荧光成像系统主要由激发光灯组、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)相机及其控制电路和智能手机上位机三部分组成。激光发灯组采用LED面光源和碗状结构,通过对光场的仿真分析保证光照强度和均匀性;采用微型CMOS相机进行荧光图像采集,利用智能手机作为上位机完成激发光控制,并将数据回传至手机或服务器进行分析、处理、存储及显示。[结果和讨论]基于该方案,制造了一款仪器样机,其激发光强最大为6250μmol/(m~2·s),光场整体变化幅度偏差为2%,光谱范围为400~1000 nm,稳定的采集频率最高可达42 f/s,具备连续光激发和调制脉冲激发功能。[结论]通过叶绿素荧光图像采集实验验证了本仪器的有效性。该仪器结构简单、造价成本低,在植物生理状态检测领域有着很好的应用价值。

宏观岩心荧光成像系统设计

地质岩心的荧光检测是初步判断钻探地层是否有油气迹象的重要手段之一;分析了含油岩心荧光产生的机理和荧光检测设备现状,设计了一种新型的岩心荧光成像系统,并给出了光学成像、电机移动控制部件和软件功能模块的实现方法;现场试验证明,该系统具有真实、客观、安全等优点,实现了宏观地质岩心荧光图像资料的永久性保存,在油田勘探开发中有较强的应用价值。

基于亚甲基蓝荧光特性研制的近红外荧光成像系统

目的基于亚甲基蓝的荧光特性研制近红外荧光成像系统并开展相关实验以证实该系统的可行性。方法首先,根据亚甲基蓝的光学特性,分别定制特定LED光源与干涉滤光片,及CCD相机等相关的零部件,并进行近红外荧光成像设备的搭建。其次,利用研制的近红外荧光成像系统进行亚甲基蓝近红外荧光成像实验,并分析计算各种不同实验条件下的亚甲基蓝的SBR(Signal-to-background ratio)值及进行数据统计分析。最后,初步开展wistar鼠尿液收集实验,15只wistar鼠随机分成5组,每组分别给予尾静脉注射不同剂量的亚甲基蓝注射液(剂量分别为0、2、1.8、1.6、1.4 mg/kg),收集尿液,并将收集的尿液进行近红外荧光成像及分析各个剂量组的SBR值,并采用单因素方差分析。结果 MB的SBR值受浓度及成像距离的影响,各种不同实验条件下P值均小于0.05。而不同剂量组wistar鼠尿液的SBR值随剂量的减小呈现先增大后减小,其中1.6 mg/kg的剂量组SBR值(8.71±0.20)最高,且不同剂量与SBR值具有显著性差异(P<0.05)。结论该系统可用于亚甲基蓝荧光的探测,有望进一步应用于腹部术中输尿管实时识别的研究。

利用激光光源的荧光成像系统高通量计数大豆孢囊线虫褐化孢囊

高效准确的孢囊计数方法对大豆孢囊线虫研究具有重要意义。为改善普通的荧光成像系统激发光能量偏低,褐化孢囊被激发的荧光减弱,难以清晰成像且计数效果欠佳的问题,本研究改用激光为激发光源,在470nm的激发波长和535nm的发射波长组合或532nm激发波长和620nm发射波长组合条件下,可得到褐化孢囊对比度高且清晰的图片,配合使用自动计数软件,可以准确高效地进行孢囊计数。

双能量X线荧光数字直接成像系统及图像分离技术的实现

通过计算机主机控制 X线管电压调整、滤线板切换和图像拍摄 ,采用 2 m m铜板过滤高能 X线 ,较好地实现了高、低能量 X线能谱的分离 ,以“双千伏技术”实现了双能量 X线数字成像 ,能够在 2～ 3s内获得高、低能 X线图像 ,基本克服了两幅图像间的运动伪迹。

两种荧光显微成像系统采集细胞器探针荧光图像的对比研究

目的 :应用荧光显微数码成像系统和共聚焦荧光显微成像系统采集细胞器探针图像的对比研究。方法 :传代培养内皮细胞 ,将四种细胞器探针与细胞共同孵育不同时间。采用荧光显微镜、计算机及高分辨率数码CCD组成的荧光显微数码成像系统采集四种细胞器探针的荧光图像。同时应用激光共聚焦显微镜采集图像进行对比。结果 :两种系统均可采集到细胞器荧光探针的图像 ;荧光显微数码成像系统采集的图像的特点为分辨率高 ,速度快 ,对细胞器的损伤小。结论 :荧光显微数码成像系统在细胞器探针的荧光检测定位研究中准确可靠。

近红外荧光探针和成像系统临床转化应用的初步探索

目的围绕近红外荧光成像探针、成像系统和临床转化评价开展探索,为进一步研发和应用提供依据。方法应用FDA批准的吲哚菁绿(ICG)评价近红外成像在复杂创面伤情评估中的价值,应用课题组前期发现的具有肿瘤靶向特性的近红外染料IR-780评价其在外科手术切除肿瘤组织及淋巴结成像中的意义。通过对IR-780的动物体内成像实验对课题组协作研发的近红外荧光成像系统进行评价。结果应用ICG能够清晰实现糖尿病足和烧伤手指的血管成像,反映血液供应情况,对于评判血管闭塞程度和指导手术治疗具有潜在应用价值;应用IR-780能够实现对手术切除肿瘤病灶的识别及淋巴结显影,初步显示出潜在转化应用前景;通过对IR-780的动物成像研究显示,协作研发的近红外成像系统TPS-785-Ⅲ具有良好的成像功能,为后续开发奠定基础。结论近红外荧光成像显示出良好的临床应用前景,通过对近红外荧光探针和成像系统的进一步研究评价,可望为临床诊断治疗提供新的手段。

人膀胱肿瘤细胞的荧光标记及其移植模型的整体荧光成像

目的对人膀胱移行细胞癌T24细胞进行荧光标记并建立其可在活体荧光成像系统下直接观察肿瘤生长及转移的简便、可靠的原位移植模型。方法以绿色荧光蛋白作为标记基因导入人类膀胱移行细胞癌T24细胞株中,经梯度浓度G418筛选获得稳定表达绿色荧光蛋白的细胞克隆并扩大培养,然后接种于裸小鼠膀胱壁内及颈部皮下,活体荧光成像系统直接观察肿瘤的生长与转移,并与常规石蜡切片苏木素-伊红(HE)染色比较。结果经绿色荧光蛋白标记的人膀胱肿瘤T24细胞在荧光显微镜下发出绿色荧光,并可在体内、外持续稳定表达。膀胱原位接种5×105个转染后的膀胱肿瘤细胞后1周即可在荧光成像系统下观察到下腹部新生膀胱肿瘤发出绿色荧光,2周后膀胱肿瘤可被触及,4周后经解剖可在荧光成像系统下观察到腹膜后及盆腔淋巴结等远处转移。结论绿色荧光蛋白能够在T24人膀胱肿瘤细胞中长期稳定表达,用绿色荧光蛋白标记的人膀胱肿瘤T24细胞建立的裸鼠原位移植模型为进一步研究膀胱肿瘤提供了一种简便、可行的新方法。

便携式癌细胞荧光显微成像系统的设计与实现

根据荧光成像在癌症诊断分析中的机理,选择高效率的光学系统,配合高精度的半数字式对焦技术和智能图像采集融合技术,实现高性能便携式癌细胞荧光成像系统。系统选择多波段的LED光源;采用科学级面阵互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器,配合散斑抑制二向色镜,降低背景干扰,提高检测灵敏度;采用半数字式对焦技术,实现显微镜高精细的自动对焦;采用FPGA+万兆网的结构,实现图像数据的高速传输。实验表明,基于该系统可制成质量为4 kg、功耗不到20 W的便携式癌细胞荧光成像设备,实现清晰的多谱段癌细胞荧光成像和快速检测。

小动物成像系统与荧光显微成像系统的蒿草组织切片荧光成像应用比较

目的:比较研究小动物成像系统与荧光显微成像系统在生物组织切片样本荧光成像的应用价值.方法:使用小动物成像系统与荧光显微成像系统分别对蒿草组织切片样本进行明场白光及荧光成像,同时获得不同倍数的荧光图像,并对结果进行分析比较.结果:小动物成像系统可获得蒿草组织切片样本明场白光及荧光图像,但是放大倍数较小,适合样本整体的观察.而荧光显微成像系统不但可获得成像清晰的蒿草组织切片样本明场白光及荧光图像,还可进一步获得放大倍数较高的清晰的局部荧光图像.结论:小动物成像系统适合样本整体的观察;与小动物成像系统比较,荧光显微成像系统更有适合对样本的细微结构进行观察.

ICG荧光显影技术在腹腔镜胆囊切除术中的应用

探讨ICG荧光显影技术在腹腔镜胆囊切除术(LC)中的应用价值。回顾性分析2019年1月至12月乐山市人民医院收治的80例胆囊良性疾病患者临床资料。根据术中是否采用ICG荧光显影技术分为荧光组和常规组,比较两组临床资料。80例患者均完成LC,两组手术时间、术中出血量、术后住院时间及术后并发症发生率比较差异无统计学意义(P>0.05)。解剖前荧光组在肝总管、胆囊管、胆总管检出率均高于常规组(30.0%vs 10.0%、92.5%vs 57.5%、87.5%vs 52.5%),差异存在统计学意义(P<0.05);而左右肝管检出率差异无统计学意义(P>0.05)。解剖后荧光组肝总管检出率高于常规组(97.5%vs 70.0%,P<0.05),两组左右肝管、胆总管、胆囊管检出率比较差异无统计学意义(P>0.05)。术后随访12个月两组均无并发症发生。LC中应用ICG荧光显影技术安全、有效,有助于肝外胆管系统早期的定位和检出,减少医源性胆道损伤。

单分子免疫检测系统的光学系统设计

单分子免疫检测,是指将免疫复合物限制在极小的体积内,对产生的信号进行计数,是一种“数字化”的免疫检测技术。单分子免疫检测仪的核心类似于一个荧光显微系统,但普通的荧光显微镜结构复杂,且与生物芯片规格无法匹配,不能很好地满足检测需求。针对自行研制的生物芯片规格,合计了一套高性能的单分子免疫检测光学系统。根据设计要求,确定了合适的初始结构;在荧光显微系统原理和像差分析理论的基础上,使用光学设计软件Zemax对系统进行反复优化设计;设计出了满足单分子免疫检测成像要求的光学系统。系统的成像部分由15片折射透镜组成,工作距离为4mm,放大倍率为-4.52,调制传递函数值在奈奎斯特频率73lp/mm处均大于0.44,畸变为0.8%,照明部分采用柯勒照明方式,在整个视场范围内,物面上的照度均匀度达到97%。整个系统采用国产常规玻璃,有利于加工和降低成本。经优化后的高分辨率荧光显微系统结合当前发展成熟的全自动化检测技术,可以极大提高单分子免疫检测的检测灵敏度和准确率。

基于高速荧光透视成像探究裸足与着鞋对跑步时距上和距下关节在体运动学的影响

目的:采用国内首套高速双平面荧光透视成像系统(dual fluoroscopic imagingsystem,DFIS)独立量化裸足与着鞋跑时距上和距下关节的在体六自由度(6 degree of freedom,6DOF)运动学。方法:选取12名健康男性跑者,通过计算机断层扫描获取踝中立位影像学数据,构建踝关节模型并建立距上、距下关节局部坐标系。利用DFIS采集受试者在裸足与着鞋条件下后跟着地时(3 m/s±5%跑速)的荧光成像,并通过3D-2D图像配准技术获取距上、距下关节的6DOF运动学特征。采用配对样本t检验比较2种条件下距上和距下2个关节的6DOF参数。结果:相比裸足,着鞋跑显著降低了支撑中期距上关节的峰值跖/背屈角度与整个支撑期的屈伸活动度(P<0.05);显著增加了支撑中期距下关节的峰值背屈与峰值外翻角度(P<0.05);在整个支撑期3个平动方向(内外、前后、上下)上的运动学特征无显著性差异。结论:上述发现有效弥补了现阶段采用传统测量技术只能获取单一踝关节运动学结果的缺陷;而着鞋跑显著增加了距下关节的外翻,未来研究可进一步探究距下关节外翻与跑步损伤之间的关联;同时,着鞋对踝运动的影响在距上和距下关节处的不同则强调了采用DFIS捕捉独立关节运动的重要性。

双平面透视成像系统及其在膝关节生物力学研究中的应用进展

双平面透视成像系统(DFIS)经过近20年的完善与发展,目前已成为一项较成熟的生物力学研究技术。本文回顾相关文献,对DFIS的发展历史和主要结构功能进行了介绍。DFIS所具有的无创性、精确性和动态性观测的优点,使其在膝关节生物力学研究中得到广泛应用,本文也对DFIS在正常膝关节及膝关节术后生物力学研究中的应用进展进行了总结,并展望了未来可能的研究方向。

人前列腺癌PC-3细胞的荧光标记及其脊椎转移动物模型的建立

目的对人前列腺癌PC-3细胞进行绿色荧光蛋白(GFP)标记,并建立其在动物活体荧光成像系统下直接观察肿瘤生长及转移的前列腺癌脊柱转移模型。方法常规肿瘤细胞培养、传代,在细胞状态最佳时以不同病毒感染复数实行GFP慢病毒对PC-3的感染,7 d后在荧光显微镜下观察GFP在PC-3的表达情况。选取感染GFP阳性表达率最高的孔继续扩大培养,然后采用悬液注射于小鼠的下腔静脉,动物活体荧光成像系统下直接观察肿瘤生长及转移,3个月后处死荷瘤鼠,常规石蜡切片苏木素-伊红(HE)染色观察。结果经绿色荧光蛋白标记后人前列腺癌PC-3细胞在荧光显微镜下发出绿光,并可在体内、外持续稳定表达;下腔静脉注射1.5×l06转染后的前列腺癌细胞后1周即可在活体荧光成像系统下观察到腰背部有绿色荧光显像,4周时可见表达绿色荧光的肿瘤增大,肿瘤骨转移率为19%(3/16);3个月后解剖裸鼠可见有3只裸鼠腰椎有肿瘤浸润,与动物活体荧光成像系统结果一致,转移率约为19%(3/16)。结论 GFP慢病毒能够高效标记人前列腺癌PC-3细胞且不影响其生物学特性,并能够持久稳定表达;用绿色荧光蛋白标记的人前列腺癌PC-3细胞成功地建立了裸鼠脊柱骨转移模型,为进一步研究前列腺癌骨转移提供了一种简便、可行的新方法。

基于虚拟仪器的实时单微粒跟踪系统设计

针对离线单微粒跟踪缺乏运动观测实时性、无法对单微粒运动状态进行快速反馈等问题,设计出一套能实时进行单微粒跟踪的系统。该系统以荧光单微粒成像系统为硬件基础,以LabVIEW为软件开发平台,将CCD荧光图像采集、荧光显微镜操作和单微粒跟踪运算融为一体,实现荧光图像采集与单微粒跟踪的并行执行和实时控制。在普通个人计算机上利用该系统对100帧连续随机运动的单微粒荧光图像的仿真和并六苯分子在云母基体的扩散实验研究表明,在运算图像高达百万级像素时,该系统可实现4~5帧/秒的跟踪速率。这对荧光标记大分子和有机体的扩散认知、分子马达运动特性研究和荧光有机分子薄膜生长机理解析等具有重要的意义。

人结肠腺癌细胞HCT-8绿色荧光标记肿瘤模型的建立

目的筛选表达绿色荧光蛋白基因的人的单克隆结肠腺癌细胞系,为体内监测肿瘤的早期生长建立一种新的肿瘤动物模型。方法以脂质体2000介导chicken-βactin-GFP-NEO转染人结肠腺癌细胞HCT-8,经梯度浓度G418筛选获得稳定表达绿色荧光蛋白的细胞克隆并扩大培养。BALB/CA-nu裸鼠皮下接种1×106个发光细胞使其成瘤,活体荧光成像系统观察肿瘤的生长情况。结果获得了稳定表达GFP的人结肠腺癌细胞株,将其接种到裸鼠体内可成瘤,利用活体成像系统观察了肿瘤的生长过程,肿瘤的发光随着观察时间的延长而增加。结论绿色荧光蛋白能够在人结肠腺癌细胞HCT-8中长期稳定表达,用绿色荧光蛋白标记的人结肠腺癌细胞HCT-8建立的裸鼠肿瘤模型为进一步研究结肠肿瘤和相应的药物筛选提供了一种简便、可行的新方法。

SW1990和Capan-2红色荧光标记胰腺癌移植肿瘤模型的建立和比较

目的建立稳定表达红色荧光蛋白基因的人胰腺癌细胞系,为体内监测肿瘤的早期生长及抗肿瘤药物的药效评价建立一种新的肿瘤动物模型。方法以Lipofectamine 2000介导chickenβ-actin-RFP-NEO转染人胰腺癌细胞SW1990和Capan-2,经梯度浓度G418筛选获得稳定表达红色荧光蛋白的细胞克隆并扩大培养。BALB/cA-nu裸鼠皮下接种1×106个发光细胞使其成瘤,活体荧光成像系统观察肿瘤的生长情况。结果获得了稳定表达RFP的两种不同的人胰腺癌细胞株,将其接种到裸鼠体内可成瘤,利用活体成像系统观察了肿瘤的生长动态过程,并且SW1990肿瘤细胞的生长速度较Capan-2细胞快。结论用红色荧光蛋白标记的人胰腺癌细胞建立的裸鼠肿瘤模型为胰腺癌的研究和相关药物筛选提供了可进行荧光影像活体、动态分析的动物模型。

肿瘤细胞中表达的GFP蛋白的荧光漂白特性的研究

GFP作为生物源性荧光探针具有其他荧光标记物所无法比拟的优势 ,目前已广泛应用于生物学研究的各个领域。利用常规转染方法将带有EGFP基因的质粒载体导入人肺腺癌肿瘤细胞 (ASTC a 1) ,并得到GFP稳定表达的细胞株。研究中发现 ,肿瘤细胞中表达的GFP长时间暴露于强激发光中会发生非常强列的荧光漂白作用 ,并且这种漂白作用是不可恢复的。对不同强度的激发光 (饱和光源、阻断片ND4 /ND8/ND16 )对GFP的漂白作用进行了研究 ,并对冷冻保存样品的光漂白作用进行了初步的探讨。