电子光学显微成像技术的空间应用

显微成像技术已广泛地应用于生物科学研究。本课题针对空间生物实验而研制的适合空间应用的显微观测装置,主要由显微放大系统、CCD摄像系统、图像处理系统、大容量图像存储系统、自动调焦系统和地面实时检测系统组成。本文将就国内外发展现状、技术方案和关键技术展开讨论。

基于专利数据的全球太赫兹近场显微成像技术发展状况分析与我国发展对策研究

近年来,太赫兹技术迅猛发展,太赫兹近场显微成像技术既是太赫兹领域的重点也是难点。本文从多角度分析太赫兹近场显微成像领域专利技术发展状况,包括技术演进趋势、地域布局、申请人分布、技术领域分布和重点申请人技术策略分析,并从上述维度为国内创新主体把握技术趋势、规划研发方向、进行技术布局保护及制定竞争策略等提供了较详细深入的客观信息与参考建议。

基于显微高光谱成像技术判别食源性致病菌种类的方法研究

如何实现对食源性致病微生物的早期快速检测是全球食品安全领域面临的挑战之一。传统的致病菌生化检测方法虽然准确性高,但是过程复杂、耗时漫长,易错过控制疫情爆发的窗口期。该研究提出一种基于暗场显微高光谱成像技术的检测方法,能够借助显微镜技术突破传统光谱成像的灵敏度和分辨率极限,并利用可见/近红外光谱为单个致病菌细胞添加高分辨率的图像和光谱信息。以空肠弯曲杆菌、大肠埃希氏菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌为检测对象,采用显微高光谱成像技术进行数字化表征和数据采集,结合双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)算法对各致病菌细胞的图像和光谱数据进行建模分类。结果显示,显微尺度的致病菌光谱数据呈现可判别的分布规律,新采用的Bi-LSTM网络在光谱数据集中表现优异,在三种致病菌的分类任务中取得了91.0%的平均准确率,而传统的线性判别分类器(LDA)和支持向量机分类器(PCA-SVM)的平均准确率分别为80.1%和88.5%。但是,仅依赖光谱数据进行致病菌种类判别仍然存在较为严重的假阳性问题,尤其是在大肠埃希氏菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌的分类中存在错误分类。图像信息的加入则能够显著改善各分类的识别准确率,其中Bi-LSTM分类器取得了高达98.1%的准确率,LDA和PCA-SVM均取得了95.3%的准确率。研究结果表明,显微高光谱成像技术在食源性致病菌的特异性光谱和图像表征中具有优势,提出的Bi-LSTM网络能够直接处理高维的图谱特征,两种技术的融合在食源性致病菌细胞级别的早期检测应用中展现潜力。

基于光子晶体的生物力显微成像

目的人体器官芯片是一种变革性的前沿生物芯片技术,在药物研发、疾病模型构建、个性化诊疗、环境评估等领域有重要应用。机械力在调控器官发育、稳态维持和疾病发生中扮演关键角色。如何实现器官芯片力学信息的高灵敏高通量检测,成为制约人体器官芯片发展的瓶颈之一。为此,提出基于光子晶体的器官芯片生物力测量技术。方法利用光子晶体的带隙效应,将细胞力引起的形变转化为颜色变化,以实现生物力信息的实时、高灵敏成像。建立基于颜色-形变-应力的解析方法,从而实现细胞垂直力的测量。通过可降解水凝胶支架“锁定”自组装纳米粒子,抑制光固化过程对粒子排列的扰动,开发了牺牲支架介导的胶体自组装技术,制备了组分可控、力学性能可调的任意三维结构的光子晶体基底。进而利用双光子吸收效应进行空间测绘,实现微米级光子晶体传感单元与厘米级器官芯片的精准装配。结果最终实现光子晶体生物力显微成像方法的构建,可对器官芯片内垂直细胞力进行宽视场(1.3 mm×1.0 mm)、高速(50帧/s)的成像。结论通过对离散细胞、细胞片层、类器官等生物样本在相应刺激下的力学信息的测量与分析,展现了光子晶体生物力显微镜在生理病理过程研究与药物、疫苗筛选中的重要价值。

膨胀显微成像技术的原理及应用

膨胀显微成像技术(expansion microscopy,ExM)是一种新型超分辨成像技术。该技术借助可膨胀水凝胶均匀地物理放大生物样本,在常规光学成像条件下实现超分辨成像。ExM适用于细胞、组织切片等多种类型生物样本。蛋白质、核酸、脂质等生物大分子均可借助ExM进行超分辨成像。ExM可与共聚焦显微镜、光片显微镜、超高分辨显微镜联合使用,进一步提高成像分辨率。近年来,多种从基础ExM拓展而来的衍生技术进一步促进了该技术的实际应用。本文综述了ExM及其衍生技术的基本原理、ExM与不同成像技术联用的研究进展及ExM在不同类型生物样本中的应用进展,并对ExM技术的发展前景做出展望。

低剂量电子显微表征下的出射波重构技术

原子级分辨率的成像表征对探究材料结构与性质间的联系具有重大意义。应用像差校正的高分辨电子显微成像技术(high⁃resolution transmission electron microscopy,HRTEM)可以实现亚埃尺度分辨率的图像表征,但电子束辐照敏感材料受限于辐照引起的结构损伤,无法用常规辐照剂量进行HRTEM成像表征。将出射波重构(exit wave reconstruction,EWR)技术应用于辐照敏感材料,一方面可以解决HRTEM图像中衬度反转的问题并提高图像分辨率至信息极限;另一方面,通过算法实现对信息的充分利用,适合于从低剂量数据中提取有效信息。采用低剂量EWR技术可以实现电子束敏感材料的原子级分辨率图像,为研究电子束辐照敏感材料提供更多可能性,也使针对出射波重构技术的研究具有更大的应用前景与科学意义。

《口腔显微成像技术》出版发行

书籍名称:《口腔显微成像技术》主编:廖玍、于海洋出版社:人民卫生出版社出版时间:2022年6月内容简介:口腔医学实验技术指导系列丛书由四川大学口腔疾病研究国家重点实验室专家教授编写,邀请了国内外该领域的学者参与。《口腔显微成像技术》以口腔医学实验研究中涉及的实验技能、实验关键环节、需要注意的事项等为主要内容组织撰写,培养标准技术、规范操作。

基于显微特征颜色量化评价判别栀子与焦栀子

目的:建立基于显微特征颜色量化评价的栀子与焦栀子判别方法。方法:采用显微成像技术和显微特征颜色提取软件测定栀子与焦栀子显微特征颜色,利用Kruska-WallisH秩和检验、Fisher判别分析法分析栀子与焦栀子显微特征颜色差异,建立判别函数。结果:栀子与焦栀子显微特征(内果皮石细胞、内果皮纤维、种皮石细胞)的亮度值(L^(*))、红绿色值(a^(*))、黄蓝色值(b^(*))和总色度值(E_(ab)^(*))均有显著差异(P<0.01)。以种皮石细胞颜色对二者进行判别,其判别函数为y=0.678×L^(*)+0.384×a^(*)-0.576×b^(*)-9.322,y>0为栀子,y<0为焦栀子。结论:通过显微特征颜色量化评价,实现了栀子与焦栀子的有效判别,为栀子生、制饮片的判别和质量评价提供了新方法。

活细胞成像中的光学显微技术

自细胞结构的早期检查起,利用光学显微技术观察细胞一直使生物学家们入迷。荧光标记技术的出现,以及丰富的精密光学显微镜技术使得活细胞中动态过程的研究变得普遍。但是,对于不大了解这个领域的研究者,使用哪种技术或仪器会比较难以决定。这里,我们对活细胞成像的主要方法给出一个简单的回顾,并指出它们的优点和缺点。

超微血流成像和彩色多谱勒血流显像在乳腺BI-RADS 4类微小结节中的临床应用

目的探讨联合超微血流成像(superb microvascular imaging,SMI)和彩色多普勒血流显像(color Doppler flow imaging,CDFI)在乳腺影像学报告和数据系统(breast imaging reporting and data system,BI-RADS)分级为4类的微小结节诊断中的应用,并与超声造影(contrast-enhanced ultrasound,CEUS)结果比较。方法前瞻性纳入乳腺BI-RADS分级4类、最大径≤1 cm,并经术后病理检查证实的165例乳腺微小结节患者共165例病灶,其中良性病灶125例、恶性病灶40例,每例病灶均进行CDFI、SMI及CEUS检查,分析其声像图资料。采用Adler半定量法进行血流分级评价,比较CDFI和SMI显示微小结节内血流情况的差异。制定了CDFI、CDFI+SMI联合两种方式预测结节性质的诊断标准,分析了CDFI、CDFI和SMI联合及CEUS三种血流显像方法对乳腺微小结节性质的诊断价值。结果恶性乳腺微小结节患者患病年龄大于良性患者,CDFI及SMI对乳腺微小结节血流检出能力不同,CDFI血流显示率为47.3%(78/165)、SMI为83.6%(138/165)。以病理结果为金标准,CDFI、联合CDFI和SMI、CEUS三种方法诊断乳腺微小结节的灵敏度分别为72.5%、87.5%、72.5%,特异度分别为60.8%、59.2%、82.4%,准确性分别为63.6%、66.1%、80.0%,曲线下面积(area under the curve,AUC)分别为0.665、0.771、0.772,且三种方式对微小结节诊断的差异有统计学意义,表明联合应用CDFI和SMI的方式优于单独使用CDFI。结论对于诊断为BI-RADS 4类的乳腺微小结节,联合应用CDFI和SMI,可有助于提高判断结节性质的灵敏度,并减少有创性检查超声造影的使用。

超分辨成像及超分辨关联显微技术研究进展

光学成像系统中有限孔径对光波的衍射,使得光学显微成像技术的分辨率受到"衍射极限"限制而无法进一步提高.自1873年E.K.Abbe提出该问题以来,衍射极限就一直是学术界研究的热点.近年来,随着高强度激光、高灵敏探测器等光电器件研制技术以及新型荧光探针开发等相关领域的快速发展,光学显微技术衍射极限问题的研究迎来了新的契机,超分辨显微成像技术(super-resolution microscopy.SRM)在近十年内取得了令人瞩目的巨大成就.本文从空域和频域角度回顾了衍射极限分辨率的基本原理,并据此对目前常见的各种SRM技术"绕过"衍射极限提高分辨率的机理给予了详解,同时介绍了各类技术的发展动态和研究方向;作为SRM的一个新的重要的发展趋势,本文详细介绍了超分辨关联显微技术的最新研究进展,包括SRM与活细胞实时荧光显微、荧光寿命显微、光谱测量和成像、电子显微、原子力显微、质谱技术等的关联,着重讨论了各类超分辨关联显微技术的作用和意义;最后,对SRM技术和超分辨关联显微技术的未来发展方向进行了展望.

显微成像分析技术在中性粒细胞运动及吞噬功能研究中的应用

目的:使用转盘式激光共聚焦显微镜及显微图像处理软件对中性粒细胞的运动及吞噬功能进行分析与评估。方法:使用Percoll分离液分离小鼠骨髓中性粒细胞,用PE荧光标记后与FITC标记的酵母聚糖颗粒(Zymosan)混匀,置于转盘式激光共聚焦显微镜下进行多通道时间序列成像。使用Volocity和Image J分析中性粒细胞的运动及吞噬相关参数,包括形态变化、运动轨迹、伪足振荡、结合吞噬指数,得出时间序列下各项参数的变化趋势。结果:中性粒细胞在受到Zymosan诱导后趋化作用明显,大部分细胞在短时间内发生极性化,在40分钟内能快速结合Zymosan,行使吞噬功能。结论:使用显微成像技术结合图像处理分析技术可准确、定量地分析中性粒细胞运动及吞噬功能,直观快速地对中性粒细胞的生理学状态进行初步评估。通过这项技术,得到正常生理状态下中性粒细胞对Zymosan的快速响应情况,为今后中性粒细胞相关功能学研究提供了参考依据。

膜污染的光学监测技术研究进展

光学监测技术具备原位、快速、无损等优势,能够对膜污染进行实时在线监测,对于膜污染现象的深入理解和膜污染控制方法的优化具有重要意义。综述了近年来研究较多、发展较快的几类膜污染光学实时监测技术,包括穿透膜直接观察、光学相干断层扫描、激光共聚焦显微镜等显微成像技术,三维荧光光谱、拉曼光谱等分子光谱技术以及粒子图像测速技术,阐述了各技术的工作原理、衍生技术及在膜污染领域的典型应用,着重从监测区域和提供的膜污染信息等方面分析了其优缺点,并对未来光学监测技术的发展方向提出了展望,有助于推动其在实际膜法水处理工程中的应用。

荧光显微成像技术应用于生物样品中氧氟沙星的检测

应用毛细流自组装成环荧光显微成像技术,建立了溴化十六烷基三甲胺(Cetyltrimethylammoniumbromide,CTMAB)-Al 3+-氧氟沙星(Ofloxacin,OFLX)三元荧光体系(CTMAB-Al 3+-OFLX)测定氧氟沙星的方法,并实测鸡灌喂氧氟沙星药片后血液中药物浓度、人体尿液中氧氟沙星浓度及蜂蜜、氧氟沙星片剂、滴眼液中氧氟沙星的含量,均得到满意结果。在pH9.50NH3-NH4Cl缓冲介质和聚乙烯醇-124存在下,溴化十六烷基三甲胺-Al 3+-氧氟沙星三元配合物在疏水性玻璃表面上受热挥发形成的自组装环直径为1.63mm,环线宽为50μm。当点样体积为0.20μL,氧氟沙星在3.30×10-13～1.65×10-12 mol.ring-1(0.60～2.98mg.L-1)范围内,荧光强度与药物浓度有良好的线性关系(r=0.999 2),检测限为4.10×10-15 mol.ring-1(7.41μg.L-1)。此法用于鸡灌胃氧氟沙星2h后血药中药物浓度的测定,回收率为96.4%～101.2%;检测了三名健康志愿者服用氧氟沙星片剂后尿液中氧氟沙星的浓度,发现服药后3h尿液中药物浓度最高,回收率在98.2%～106.1%。应用于三种蜂蜜中氧氟沙星残留量的测定,回收率为98.2%～106.1%,相对标准偏差小于2.3%;检测了氧氟沙星片剂、滴眼液中有效成分的含量,与标示量相近,回收率分别为93.5%～101.5%和95.8%～104.2%,RSD为3.5%和3.6%。

三维反卷积显微成像技术浅谈

三维宽场反卷积显微成像技术是应用光学切片方法获取三维标本的二维图像序列 ,然后通过反卷积图像处理方法进行图像恢复 ,进而进行三维重建的一种以光学技术和图像处理技术为核心的显微成像方法。本文讲述了光学切片的基本原理 ,给出了反卷积处理中点扩展函数的理论模型和实验测试方法 ,然后对现存的反卷积算法做了对比。最后 ,文章对这一领域的发展趋势作了预测。

镁敏化美他环素荧光显微成像技术应用于北京市密云县养殖场生鲜乳抗生素残留量的检测

采用抗生素治疗奶牛乳腺炎是目前普遍采用的一种方法,因此牛奶中抗生素残留问题倍受国际社会关注。寻求简便可行、灵敏度高的检测技术,以适用日趋严格的残留限量要求,保障人们安全、卫生地饮用牛奶至关重要、迫在眉睫。基于固载表面溶剂毛细流的自组装环效应,采用镁敏化美他环素荧光显微成像技术检测了北京市密云县4家养殖场生鲜乳中美他环素残留量,建立了一种检测新方法。实验表明,在pH9.99NH3-NH4Cl缓冲溶液及聚乙烯醇-124存在下,镁和美他环素能形成较强荧光的1∶1配合物,并在憎水性玻片表面形成自组装环,环直径0.93mm,环线宽26.2μm。当点样体积为0.50μL时,线性范围为2.2×10-13～3.6×10-12mol.ring-1(4.4×10-7～7.2×10-6mol.L-1),检测限(3σ)为8.8×10-14mol.ring-1(1.8×10-7mol.L-1)。应用于生鲜牛奶样品中抗生素的检测,得到了满意结果,回收率为93.8%～108%,RSD小于4.3%。

三维反卷积显微成像技术

三维宽场反卷积显微成像技术是应用光学切片方法获取三维标本的二维图像序列，然后通过反卷积图像处理方法进行图像恢复，进而进行三维重建的一种以光学技术和图像处理技术为核心的显微成像方法。本文讲述了光学切片的基本原理，给出了反卷积处理中点扩展函数的理论模型和实验测试方法，然后对现存的反卷积算法做了对比。最后，还对这一领域的发展趋势做了预测。

二次谐波/双光子激发荧光显微成像技术定量评估非酒精性脂肪性肝病小鼠模型肝纤维化的价值

目的通过二次谐波(SHG)和双光子激发荧光(TPEF)显微成像技术分析非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)小鼠模型胶原参数动态变化,找出并建立适合蛋氨酸胆碱缺乏饲料(MCD)诱导的NAFLD小鼠的自动化定量评估参数,为SHG/TPEF显微成像技术应用于临床提供实验依据。方法 获取MCD饮食小鼠不同时间点(0、4、8、12、16、20和24周)的肝组织标本,行HE、Masson和天狼猩红(SR)染色,并计算胶原蛋白比例面积(CPA)和羟脯氨酸(HYP)。使用SHG/TPEF纤维成像技术分析100个胶原参数。以造模后不同时间点和不同纤维化分期(S0~S4)为标准,采用支持向量机算法(SVM)模型分析胶原参数,并对参数行受试者工作特征曲线(ROC 曲线)分析,同时与CPA、HYP进行比较。结果 在MCD小鼠模型中,HE和SR染色后可以观察到随着造模时间的延长,肝小叶内脂肪变形成,纤维化逐渐加重。分别基于造模不同时间点和不同肝纤维化分期,选出26和27个参数;进一步采用SVM模型分析筛选出7个共同参数(#StrCV、#ShortStrCV、#ThickStrCV、#StrPTAgg、#StrPSAgg、#LongStrPSAgg和StrLengthPSAgg)并进行论证,7个参数与不同肝纤维化分期相关的ROC曲线下面积(AUC)为:0.857~0.923, P <0.05,与不同时间点相关的AUC为:0.823~0.976, P <0.05。进一步比较7个参数和CPA及HYP对肝纤维化的预测价值,发现7个参数的AUC在分期0 vs 1~4时,与CPA和HYP的AUC值接近,其他分期比较,7个参数的AUC值均高于CPA和HPA;同样在造模后不同的时间点,发现7个参数的AUC在造模早期0 vs 4周时,与CPA和HYP的AUC值接近,造模4周后比较,7个参数的AUC值均高于CPA和HPA。结论 7个与纤维化阶段和不同时间点相关的参数组合,可以准确反映MCD诱导的NAFLD模型不同分期和不同时间点的肝纤维化变化,可用于该模型中以定量的方式具体、准确地监测肝纤维化进展。