数字全息显微镜技术中关键参数实验研究

概述了数字全息显微镜技术研究及应用现状,介绍了数字全息显微镜技术的原理及其数值重建算法特点,分析了数字离轴全息图记录系统的3个关键参数:记录距离、光源有效光斑尺寸及视场尺寸。通过相位光栅模拟实验研究表明:存在一个最佳记录距离,使得被测物体能被充分记录;光源有效光斑尺寸应大于等于记录介质CCD感光面尺寸;视场尺寸边界距离CCD感光面尺寸边界至少50 pixels。

基于数字全息显微镜的人类精子的三维动态行为监测技术

目的发展基于数字全息显微镜的人类精子三维动态行为的监测技术。方法采自健康男性的精子样本分散于人工输卵管液(HTF)中,稀释到2×10^7/mL后显微制样;利用数字全息显微镜记录包含精子三维位置信息的全息图;平均每组全息图得到背景图;对全息图做背景扣除后,利用定位算法获取精子的实时三维坐标;利用轨迹连接算法将精子的三维坐标连接成三维轨迹;基于三维轨迹,发展算法获取精子的三维运动模式、密度的空间分布、三维速度的空间分布和三维朝向。结果利用数字全息显微镜,获取了包括精子的三维运动模式及反映精子与表面相互作用的密度分布、三维速度的空间分布和三维朝向在内的多项与精子受精能力相关的信息。结论数字全息显微镜为分析和评估精子的受精能力提供了更为全面的数据。

数字全息显微镜观察哇巴因对人胶质瘤U87-MG细胞的影响

目的应用数字全息显微镜观察哇巴因(ouabain)对人胶质瘤U87-MG细胞的影响。方法不同浓度ouabain(0.05、0.5、2.5、25μM)干预U87-MG细胞,24 h后使用光学显微镜观察细胞形态学改变,MTT法检测细胞活力,数字全息显微镜观察ouabain作用后细胞的动态变化和运动能力改变。结果与Control组比较,ouabain明显减低细胞活力[0.05μM(75.92±3.21)%,0.5μM(49.61±3.95)%,2.5μM(42.74±3.21)%,25μM(32.86±2.00)%vs.Control(100±0.01)%;P<0.01],减少细胞数量[0.05μM(170.7±4.7),0.5μM(162.3±4.4),2.5μM(142.0±2.6),25μM(110.3±1.2)vs.Control(193.7±2.6);P<0.05或P<0.01],并降低细胞运动能力[0.05μM(809.0±19.8)μm,0.5μM(626.9±23.5)μm,2.5μM(476.7±22.9)μm,25μM(386.5±19.6)μm vs.Control(959.7±18.9)μm;P<0.01],且呈浓度依赖性。结论 ouabain可抑制人胶质瘤U87-MG细胞的生长、降低肿瘤细胞运动能力并最终引起细胞死亡,数字全息显微镜可起到良好的评价作用。

显微数字全息图相位的滤波法提取

显微数字全息的关键技术之一是其相位信息的提取。通过分析显微数字全息图的空间频谱特点,提出了一种新的相位提取方法。将数字全息图频谱进行搬移,使物光频谱中心移到频域坐标原点;设计有限脉冲响应(FIR)数字滤波器滤出物光频谱;求解滤波后信号的辐角得到全息图相位。对设计的实验系统进行了验证,实验结果表明采用提出的方法提取显微数字全息相位,完全可行,效果良好。

微纳气泡的三维动态表征

由于微纳气泡极易受到扰动,水溶液中微纳气泡的表征极其具有挑战性。二维成像及追踪技术可对亚微米/微米至宏观尺度级别的气泡进行无损、高速且灵活的表征和观测。然而,真实世界是三维的。受限于成像焦面的景深,二维成像技术无法完整还原气泡的空间形貌特征和局部的三维动态过程,亦无法区分气泡和其他杂质。因此,发展了一种基于数字全息显微镜(DHM)的微纳气泡三维表征技术。利用共轴和离轴两套数字全息光路系统,可同时获得多个微纳气泡的实时三维运动轨迹、瞬时尺寸、空间分布和相图。基于取决于折射率差异的相图信息,可进一步区分水中的气泡和杂质。因此,数字全息显微镜技术可为揭示溶液中微纳气泡的局部行为和物理化学特性提供新的信息,为更深入地了解微纳气泡的水相动态行为提供帮助。

铜绿假单胞菌在液滴界面的二维和三维运动特征

【目的】环境中无处不在的气-液界面能够影响细菌的运动和养分的传输扩散,进而调控微生物的种群互作和群落结构。因此,系统地认知微生物在微观界面的运动特征对于理解和解析微生物多样性的产生、维持机制以及生态功能至关重要。【方法】本文基于微流体显微系统(超高速荧光显微镜和数字全息显微镜),以具备主动运动能力的模式菌株铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa PAO1)为研究对象,观测并解析了细菌细胞在气-液界面的二维运动特征和气-液-固界面的二维与三维运动特征。【结果】PAO1既能在气-液界面处执行近似直线轨迹的运动,也能在气-液界面下方执行顺时针或逆时针旋转的圆周运动(最小曲率半径Rmin=3μm)。在气-液-固界面处,6.45%的不运动细胞聚集于气-液-固界面边缘处,并在该处完成不可逆附着;同时,游动细胞由于受到液滴内部毛细管流和马兰戈尼(Marangoni)涡流运动的综合作用,直线游动至距界面约40μm内的区域后,其运动轨迹转变为垂直界面方向返回或以近似界面平行方向运动并附着,这些行为显著调节了PAO1的空间分布,促使了其朝向气-液-固界面的迁移,表明个体PAO1的鞭毛在此处的主动游动作用较弱。【结论】PAO1在气-液界面处能够执行与固-液界面类似的运动轨迹,且能够在各种作用力下朝向气-液-固界面运动并附着。