激光相位成像及其在微生物识别中的应用研究

发布时间：2020-11-21 10:10

　　 随着社会的进步和环境卫生条件的日益改善,人们的生活水平不断提高,健康状况越来越受到重视,对疾病的预防及检测技术要求也越来越高。传统的环境监测方法和生物医疗手段繁琐复杂,所获信息量有限,难以满足对单细胞层次深入分析研究的需求,发展一种无损、非侵入、高分辨和可定量的检测方法,对于研究细胞和生物组织的结构形态和生理活动特征具有重要的科学意义和应用价值。本文基于光学显微成像技术,设计和搭建一套高稳定性、高精度的激光衍射相位显微成像系统,并结合微流体芯片的动态观测优势,对两种水源性致病寄生虫的形态和干质量进行定量研究,具体内容如下:(1)设计和搭建了基于离轴干涉和共光路布局的激光衍射相位显微成像系统,并从光源、光栅的选择以及共光路干涉结构等方面对光路系统进行了详细的设计研究。测量了该系统的光程波动范围,得到量化的空间噪声精度为6.7 nm。以直径4.8μm的聚苯乙烯微球为标准样品,对该系统的测量准确度进行验证,聚苯乙烯微球的最大相位延迟误差不超过4%,最大相位延迟测量结果与理论计算结果相一致。(2)开发了基于傅里叶变换和希尔伯特变换的相位提取算法,同时考虑到相机采样错误以及空间噪声对干涉光场采集过程造成的影响,提出采用Goldstein′s相位解缠算法对包裹相位进行解包,减少相位恢复错误,通过背景相减法消除成像系统引起的相位偏差,实现生物样品相位分布图像快速、准确地恢复。(3)针对寄生虫卵微小,在水中难以辨认和捕捉的缺点,设计和制作了具有双层结构、高捕获效率的微流体芯片。其中微流体芯片中U型捕获结构长15μm,宽7.5μm,中心凹槽区域深度为5μm,宽度为10μm。并在U型捕获结构与下层芯片之间预留了2μm的空隙,有效缓解通道内水流压力。利用该微流体芯片可以很好地捕获寄生虫卵,并可以对虫卵进行寻址以及定位标记,便于对寄生虫卵动态、大批量地检测研究。(4)基于上述设计的激光衍射相位成像系统,结合微流体芯片的协同作用,实现了对贾第鞭毛虫包囊和隐孢子虫卵囊定量相位成像。利用激光衍射相位显微成像系统获取到两种寄生虫的相位分布图,在对相位图进行测量和积分运算,得到100只贾第鞭毛虫包囊长轴在8~15μm之间,短轴在4~7μm之间,干质量在42.70-137.07 pg之间,100只隐孢子虫卵长轴在4~6μm之间,短轴在3~5μm之间,干质量范围在6.13~14.00pg之间。并对贾第鞭毛虫包囊的死活状态进行了动态测量,125只贾第鞭毛虫包囊在致死之后,平均干质量减少了48.64 pg。上述结果表明,激光衍射相位显微成像系统结合微流体芯片可以实现对微小生物体进行定量、动态地测量,并得到其形态学和生理活动等相关参数。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN24
【部分图文】：

傅里叶相位显微技术示意图

空间光干涉显微技术[32]

数字全息显微镜装置示意图
【参考文献】

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本文编号：2892860