智能定量相位成像技術QPI在實時細胞研究的應用
光學顯微鏡自誕生以來，一直是人類探索微觀世界的重要工具，在眾多領域中發(fā)揮著不可或缺的作用。然而，傳統(tǒng)光學顯微鏡只能獲取樣品的平面性的信息，難以對透明樣品（如活體細胞）進行高清成像。因此，研究人員迫切需要一種非標記顯微技術，以便在自然狀態(tài)下實現(xiàn)對透明樣品的長期高清跟蹤觀察。
獨特的定量相位成像技術
定量相位成像 （Quantitative Phase Imaging, QPI）是一種針對透明樣品的無標記成像技術，為活細胞的成像觀察帶來一種全新的高度，可以從未標記的細胞樣本中獲取豐富的信息以及更多的定量數(shù)據(jù)。
QPI的原理是利用光在通過樣品時的相位變化與亮度之間的關系，測量樣品的折射（相位）特性，然后通過相關算法生成獨立的振幅與相位圖像，通過計算機軟件重建樣品圖像。因此，定量相位成像能夠在不添加任何外部試劑的情況下，實現(xiàn)對無標記樣本的安全、高分辨率成像，且定量反映被測樣品的相位信息，這有效克服了傳統(tǒng)化學染色方法所帶來的光漂白、毒性及數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。
Holomonitor成像系統(tǒng)
活細胞動態(tài)全息定量成像分析系統(tǒng)Holomonitor采用獨特的數(shù)字全息術，實現(xiàn)了定量相位成像。該系統(tǒng)配備數(shù)字圖像傳感器、低功率二極管照明和完整的計算機算法，通過測量光線在穿過未染色細胞時方向的變化，從而量化細胞特性。由于沒有任何光會被細胞吸收而對細胞造成傷害，因此細胞完全不受影響。這使得Holomonitor能夠?qū)ε囵B(yǎng)箱中的細胞進行無損成像、量化和長期監(jiān)測，實現(xiàn)無標記、無細胞毒性完成視野內(nèi)所有細胞的3D成像，能夠提供完整的細胞形態(tài)學參數(shù)的定量分析。
圖2.Holomonitor原理圖示
Holomonitor技術優(yōu)勢
1.高分辨率和高對比度
與傳統(tǒng)的成像方法，如相差顯微鏡（（phase contrast microscopy，PCM）相比，QPI能提供信息更豐富的細胞圖像。PCM通過將透明樣本引起的相位移轉(zhuǎn)換為振幅變化，獲得未標記樣本的高對比度圖像。然而，這種方法僅能在二維空間中測量，要獲取空間體積信息，通常需要手動沿光學軸掃描樣本。此外，PCM的定性特性可能限制一致性分析，來自不同用戶與成像系統(tǒng)變量的校準問題，可能導致不一致和不可重復的實驗結(jié)果。
圖3.細胞相差圖像（左）和Holomonitor數(shù)字全息圖（右）
相較之下，Holomonitor系統(tǒng)獨特的QPI生成的細胞圖像可以明顯的與黑色背景區(qū)別開來，并且3D圖像也更加直觀與精準。這種精準且穩(wěn)定的對比使得計算機可以準確的完成三維細胞成像，并且獲得包括厚度、面積在內(nèi)的多達30多種的全息成像所獨有的細胞表型特征數(shù)據(jù)。
2.實時動態(tài)成像
HoloMonitor系統(tǒng)在設計之初便注重緊湊性，使其能夠輕松放入細胞培養(yǎng)箱中，并在高濕環(huán)境中長時間運行。在無干擾的條件下，實時監(jiān)測細胞動態(tài)，既減少了對細胞的干擾，又提高了實驗的效率。與傳統(tǒng)的“終點法”不同，HoloMonitor能夠?qū)崟r觀察細胞的遷移、分裂等動態(tài)過程，這對于生物學研究和藥物篩選具有重要意義。
圖4.HoloMonitor內(nèi)置在培養(yǎng)箱內(nèi)實時觀測細胞
3.無標記、無損成像
傳統(tǒng)顯微成像只能提供細胞的2D圖像，無法從3D層面來研究細胞的形態(tài)變化。并且傳統(tǒng)成像技術往往需要對細胞進行標記或染色，而這些染料往往具有一定的毒性，會不同程度上影響細胞活動，帶來錯誤的研究數(shù)據(jù)和結(jié)果，同時被標記過的細胞無法被重復利用于下游研究，造成細胞浪費。
HoloMonitor采用了數(shù)字全息技術，在成像過程中無需對細胞進行染色或其他處理，從而使細胞保持了原始活性和生物學功能。這種無標記特性使得實驗后獲得的細胞仍可繼續(xù)利用，不僅提高了實驗效率，也有效節(jié)省了寶貴的細胞資源。因此,HoloMonitor在再生醫(yī)學和細胞治療領域具有巨大的應用潛力。
圖5.案例：無標記細胞的死亡分類
目前，PHI公司正與維克森林再生醫(yī)學研究所（WFIRM）及再生醫(yī)學開發(fā)組織（ReMDO）密切合作，利用HoloMonitor系統(tǒng)的優(yōu)勢，構建一個用于細胞質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)存儲的綜合性系統(tǒng)。此項目旨在提升細胞培養(yǎng)過程的效率和準確性，以確保再生醫(yī)學研究和應用的高標準質(zhì)量。
圖6.QPI是細胞友好型細胞質(zhì)量控制的關鍵
4.強大的定量分析能力
傳統(tǒng)的終點法檢測，只能得到一個簡單的終點結(jié)果，無法了解細胞的動態(tài)過程，甚至失去一些重要信息，而導致不準確或錯誤的結(jié)論。HoloMonitor采用激光全息技術，能夠精確定位單個細胞，并提供完整的單細胞遷移軌跡、速率和多達30種細胞形態(tài)學參數(shù)。
圖7. 案例：HoloMonitor跟蹤單細胞運動
此外，用戶可以利用先前實驗中捕獲的活細胞數(shù)據(jù)，通過軟件設置進行重新分析，從中提取細胞動態(tài)參數(shù)和繁殖速率等相關信息。這種方法使得一組細胞在單次實驗中可以獲得多種應用分析結(jié)果，從而顯著提高數(shù)據(jù)的利用效率。這些分析結(jié)果為再生醫(yī)學和細胞治療的應用提供了重要的參考依據(jù)，有助于推動相關領域的發(fā)展與創(chuàng)新。通過深入挖掘數(shù)據(jù)，用戶能夠更好地理解細胞行為，進一步優(yōu)化治療方案，提高治療效果和患者的恢復速度。
圖8.一次實驗可獲得多種應用數(shù)據(jù)
定量相位成像推進生物醫(yī)學研究
毫無疑問，QPI是一種無標記活細胞成像不可或缺的方法，而Holomonitor代表了細胞成像技術的一次重要進步。它不僅克服了傳統(tǒng)相差顯微鏡的局限性，還為生物醫(yī)學研究提供了更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和更廣泛的應用前景。通過利用這一先進的成像技術，我們能夠更深入地理解細胞生物學，為疾病機制研究和新藥開發(fā)提供強有力的支持。
如您對HoloMonitor系統(tǒng)有任何疑問或需求，歡迎隨時與我們聯(lián)系。典奧生物科技將竭誠為您提供優(yōu)質(zhì)的服務與支持。
獨特的定量相位成像技術
定量相位成像 （Quantitative Phase Imaging, QPI）是一種針對透明樣品的無標記成像技術，為活細胞的成像觀察帶來一種全新的高度，可以從未標記的細胞樣本中獲取豐富的信息以及更多的定量數(shù)據(jù)。
圖1.QPI的原理及優(yōu)勢
QPI的原理是利用光在通過樣品時的相位變化與亮度之間的關系，測量樣品的折射（相位）特性，然后通過相關算法生成獨立的振幅與相位圖像，通過計算機軟件重建樣品圖像。因此，定量相位成像能夠在不添加任何外部試劑的情況下，實現(xiàn)對無標記樣本的安全、高分辨率成像，且定量反映被測樣品的相位信息，這有效克服了傳統(tǒng)化學染色方法所帶來的光漂白、毒性及數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。
Holomonitor成像系統(tǒng)
活細胞動態(tài)全息定量成像分析系統(tǒng)Holomonitor采用獨特的數(shù)字全息術，實現(xiàn)了定量相位成像。該系統(tǒng)配備數(shù)字圖像傳感器、低功率二極管照明和完整的計算機算法，通過測量光線在穿過未染色細胞時方向的變化，從而量化細胞特性。由于沒有任何光會被細胞吸收而對細胞造成傷害，因此細胞完全不受影響。這使得Holomonitor能夠?qū)ε囵B(yǎng)箱中的細胞進行無損成像、量化和長期監(jiān)測，實現(xiàn)無標記、無細胞毒性完成視野內(nèi)所有細胞的3D成像，能夠提供完整的細胞形態(tài)學參數(shù)的定量分析。
圖2.Holomonitor原理圖示
Holomonitor技術優(yōu)勢
1.高分辨率和高對比度
與傳統(tǒng)的成像方法，如相差顯微鏡（（phase contrast microscopy，PCM）相比，QPI能提供信息更豐富的細胞圖像。PCM通過將透明樣本引起的相位移轉(zhuǎn)換為振幅變化，獲得未標記樣本的高對比度圖像。然而，這種方法僅能在二維空間中測量，要獲取空間體積信息，通常需要手動沿光學軸掃描樣本。此外，PCM的定性特性可能限制一致性分析，來自不同用戶與成像系統(tǒng)變量的校準問題，可能導致不一致和不可重復的實驗結(jié)果。
圖3.細胞相差圖像（左）和Holomonitor數(shù)字全息圖（右）
相較之下，Holomonitor系統(tǒng)獨特的QPI生成的細胞圖像可以明顯的與黑色背景區(qū)別開來，并且3D圖像也更加直觀與精準。這種精準且穩(wěn)定的對比使得計算機可以準確的完成三維細胞成像，并且獲得包括厚度、面積在內(nèi)的多達30多種的全息成像所獨有的細胞表型特征數(shù)據(jù)。
2.實時動態(tài)成像
HoloMonitor系統(tǒng)在設計之初便注重緊湊性，使其能夠輕松放入細胞培養(yǎng)箱中，并在高濕環(huán)境中長時間運行。在無干擾的條件下，實時監(jiān)測細胞動態(tài)，既減少了對細胞的干擾，又提高了實驗的效率。與傳統(tǒng)的“終點法”不同，HoloMonitor能夠?qū)崟r觀察細胞的遷移、分裂等動態(tài)過程，這對于生物學研究和藥物篩選具有重要意義。
圖4.HoloMonitor內(nèi)置在培養(yǎng)箱內(nèi)實時觀測細胞
3.無標記、無損成像
傳統(tǒng)顯微成像只能提供細胞的2D圖像，無法從3D層面來研究細胞的形態(tài)變化。并且傳統(tǒng)成像技術往往需要對細胞進行標記或染色，而這些染料往往具有一定的毒性，會不同程度上影響細胞活動，帶來錯誤的研究數(shù)據(jù)和結(jié)果，同時被標記過的細胞無法被重復利用于下游研究，造成細胞浪費。
HoloMonitor采用了數(shù)字全息技術，在成像過程中無需對細胞進行染色或其他處理，從而使細胞保持了原始活性和生物學功能。這種無標記特性使得實驗后獲得的細胞仍可繼續(xù)利用，不僅提高了實驗效率，也有效節(jié)省了寶貴的細胞資源。因此,HoloMonitor在再生醫(yī)學和細胞治療領域具有巨大的應用潛力。
圖5.案例：無標記細胞的死亡分類
目前，PHI公司正與維克森林再生醫(yī)學研究所（WFIRM）及再生醫(yī)學開發(fā)組織（ReMDO）密切合作，利用HoloMonitor系統(tǒng)的優(yōu)勢，構建一個用于細胞質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)存儲的綜合性系統(tǒng)。此項目旨在提升細胞培養(yǎng)過程的效率和準確性，以確保再生醫(yī)學研究和應用的高標準質(zhì)量。
圖6.QPI是細胞友好型細胞質(zhì)量控制的關鍵
4.強大的定量分析能力
傳統(tǒng)的終點法檢測，只能得到一個簡單的終點結(jié)果，無法了解細胞的動態(tài)過程，甚至失去一些重要信息，而導致不準確或錯誤的結(jié)論。HoloMonitor采用激光全息技術，能夠精確定位單個細胞，并提供完整的單細胞遷移軌跡、速率和多達30種細胞形態(tài)學參數(shù)。
圖7. 案例：HoloMonitor跟蹤單細胞運動
此外，用戶可以利用先前實驗中捕獲的活細胞數(shù)據(jù)，通過軟件設置進行重新分析，從中提取細胞動態(tài)參數(shù)和繁殖速率等相關信息。這種方法使得一組細胞在單次實驗中可以獲得多種應用分析結(jié)果，從而顯著提高數(shù)據(jù)的利用效率。這些分析結(jié)果為再生醫(yī)學和細胞治療的應用提供了重要的參考依據(jù)，有助于推動相關領域的發(fā)展與創(chuàng)新。通過深入挖掘數(shù)據(jù)，用戶能夠更好地理解細胞行為，進一步優(yōu)化治療方案，提高治療效果和患者的恢復速度。
圖8.一次實驗可獲得多種應用數(shù)據(jù)
定量相位成像推進生物醫(yī)學研究
毫無疑問，QPI是一種無標記活細胞成像不可或缺的方法，而Holomonitor代表了細胞成像技術的一次重要進步。它不僅克服了傳統(tǒng)相差顯微鏡的局限性，還為生物醫(yī)學研究提供了更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和更廣泛的應用前景。通過利用這一先進的成像技術，我們能夠更深入地理解細胞生物學，為疾病機制研究和新藥開發(fā)提供強有力的支持。
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HoloMonitor
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