用于生物细胞三维面型重构的干涉型定量相位显微成像技术实验研究

发布时间：2020-05-30 19:35

【摘要】：光学显微技术由于具有非接触、无辐射、可实时观测等特点,已经成为了生物医学与生命科学领域内最常见和最重要的分析方法与测试工具。在对透明的生物细胞进行显微成像时,相位显微成像技术,特别是定量相位显微成像技术,表现出了十分巨大的优势,已成为了当前生物细胞成像研究的热点与发展方向之一。该技术克服了在荧光显微镜中需要使用标记染料而可能对细胞造成伤害的问题,更进一步的,它不仅能够实现对透明生物细胞或组织的折射率、厚度等信息的定量化测量,而且可以为我们提供生物细胞的形态、结构或动力学行为等信息。这项技术为我们在微观领域的研究提供了一种十分有效的手段,具有十分重要的意义。大多数的定量相位显微成像技术基于光的干涉现象。这种技术主要包括了干涉图样的采集、相位信息的重建以及后续的相位解包裹等几个过程,其中干涉图样的采集是定量相位成像技术的基础,获得高质量的干涉图样是后续的相位重建成功的关键。据此,我们的工作主要集中在干涉相位测量系统的设计与实验实现方面,以期获得高质量的干涉图样,从而实现生物细胞的定量相位显微成像。本论文的研究工作主要有以下几个方面:1.实现了基于单一光学元件的干涉相位显微成像,获取了生物细胞(草履虫细胞)的相位成像。我们分别使用了单一的楔形玻璃板和单一的分光棱镜,实现了两种干涉相位显微成像方法。对于仅仅使用单一楔形玻璃板的方法,其基本思路是调节样品使其只接触照明光束的一半,然后利用一块楔形玻璃板将这一部分携带了样品信息的光束偏折向另一部分光束,使得这两部分光束相遇叠加在一起而形成干涉。而对于仅仅使用单一分光棱镜的方法,我们将分光棱镜倾斜的放置,使得入射光束仅仅入射到分光棱镜中央半反射层的一侧的位置。仔细的调整控制分光棱镜,使分光棱镜的中央半反射层和入射光束的光轴之间形成一个合适的夹角,这样,由分光棱镜生成的两束光束将相遇重叠在一起而形成干涉。由于分光棱镜产生的光束的像彼此之间相反,这样我们调节样品到一个合适位置时产生了双通道干涉。基于单一光学元件的方法非常简单易行,而且可以有效地控制成本,非常具有实用性。2.实现了三种具有双干涉通道的干涉相位显微成像方法,并且都成功的获取了生物细胞(草履虫细胞)的相位成像。在这类方法中,首先使用一个被倾斜放置的常规分光棱镜来产生两束彼此平行的平行平面波。以此为基础,然后分别使用了楔形玻璃板、菲涅耳双棱镜、菲涅耳双面镜来形成干涉。对于第一种方法,利用一块非常普通的楔形玻璃板仅仅将其中的一束光束偏折向另一束光束使它们重叠在一起而形成干涉;对于第二种方法,使用一块菲涅耳双棱镜代替楔形玻璃板,调节菲涅耳双棱镜的屋脊使其和分光棱镜的中央半反射层重合,这样分光棱镜产生的两束光束分别射入菲涅耳双棱镜的不同的一侧,这两束光束分别被偏折朝向彼此,然后相遇叠加在一起而形成干涉;而对于第三种方法,使用一种普通的菲涅耳双面镜代替上面的两种器件,将菲涅耳双面镜放置在倾斜的分光棱镜的输出端,使得分光棱镜产生的两束平行光束分别被菲涅耳双面镜的两面镜子反射,然后相遇而形成干涉。3.利用两个直角棱镜替换普通迈克尔逊干涉仪的两个平面镜,提出了一种改进的迈克尔逊干涉仪。基于这种改进的迈克尔逊干涉仪,分别通过旋转或者平移直角棱镜,实现了两种迈克尔逊型横向剪切干涉相位显微成像方法,获取了生物细胞(草履虫细胞)的相位成像。对于旋转直角棱镜的方法,我们以直角棱镜的屋脊为旋转轴,通过在水平面内旋转直角棱镜来实现横向剪切干涉;而对于平移直角棱镜的方法,沿着垂直于入射光束的光轴的方向,我们在水平面内平移直角棱镜来实现横向剪切干涉。4.我们的方法都是以传统倒置型显微镜配置为基础的,这使得我们的方法可以很方便的集成到现成的光学显微设备上,极大地扩展了我们提出的方法的应用范围。此外,我们提出的干涉器件操作简单、价格便宜、小型化、便携式,具有非常好的实用性。
【图文】：

示意图,相位变化,光波,细胞

不会发生明显的改变，从而导致无法利用传统的光学显微成像技术对生物细胞进逡逑行清晰成像。尽管如此，光波透过样品时却因为样品内部折射率的不同而使得相逡逑位信息发生了明显的变化（相位衬度），如图１．１所示，因此可以通过相位变化逡逑实现成像。然而，对于人的眼睛或者其它的光探测器来说，相位变化并不能被直逡逑接的辨别，一般需要将相位的变化转化为可探测的光强度变化，因此相位成像技逡逑术也就应运而生了。逡逑＾逦Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｃｅｌｌ逡逑－Ｐｈａｓｅ邋ｓｈｉｆｔ逡逑Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ邋ｉｓ邋ｕｎｃｈａｎｇｅｄ邋Ｔｈｅ邋ｐｈａｓｅ邋ｏｔ邋ｗａｖｅ邋ｉｓ邋ｓｈｉｆｔｅｄ逡逑ｂｙ邋ｔｈｅ邋ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｃｅｌｌ逦ｂｙ邋ｔｈｅ邋ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｃｅｌｌ逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｐｈａｓｅ邋ｓｈｉｆｔ邋ｏｆｌｉｇｈｔ邋ｗａｖｅ邋ｐａｓｓｉｎｇ邋ｔｈｒｏｕｇｈ邋ｃｅｌｌ．逡逑图１．１光波通过细胞产生相位变化的示意图。逡逑３逡逑

显微成像技术,先驱者,相干光

如果同时知道光场的相位信息和振幅信息，则成像过程就可以看作是信息逡逑的传输。基于光波之间干涉现象的定量相位显微成像技术（ＱＰＭ，，ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ逡逑ｐｈａｓｅ邋ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）实喷上结合了阿贝、泽尔尼克和盖伯（图１．２）的开创性观点，逡逑产生的图像记录了与样品有关的光程变化，进一步的反映了样品的定量信息，从逡逑而揭开了生物细胞显微成像的新篇章。逡逑■娭逡逑Ｅｒｎｓｔ邋Ａｂｂｅ逦Ｆｒｉｔｓ邋Ｚｅｒｎｉｋｅ逦Ｄｅｎｎｉｓ邋Ｇａｂｏｒ逡逑（１８４０－１９０５）逦（１８８８－１９６６）逦（１９００－１９７９）逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｉｏｎｅｅｒｓ邋ｏｆ邋ｃｏｈｅｒｅｎｔ邋ｌｉｇｈｔ邋ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．逡逑图１．２相干光显微成像技术的先驱者。逡逑４逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O436.1;R318

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