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显微镜系统用于生物发光成像应用的选型

作者: 时间:2022-09-29

随着商业化试剂的应用范围不断扩大和生物发光成像仪器的不断创新,生物发光成像技术日益完善,逐渐成为了生命科学成像研究的新生力量。为了让客户能够更简易的完成生物发光成像,英国PRIOR关于如何选用适合的生物发光成像的显微镜系统这一个问题,以正置显微镜系统或倒置显微镜系统在生物发光成像的应用为例,提供了一系列的配件来完成显微镜成像系统(包括载物台,样品架,荧光照明系统,控制器,电动z轴马达,自动对焦系统)的搭建。


生物发光成像原理

光在哺乳动物组织内传播时会被散射和吸收,光子遇到细胞膜和细胞质时会发生折射现象,而且不同类型的细胞和组织吸收光子的特性并不一样。血红蛋白(hemoglobin)是造成体内可见光被吸收的主要因素,其吸收可见光中蓝绿光波段的大部分。但是在可见光大于600纳米的红光波段,血红蛋白的吸收作用却很小。因此,在偏红光区域, 大量的光可以穿过组织和皮肤而被检测到。利用活体动物生物发光成像技术最少可以检测到皮下的几百个细胞。以老鼠为例,由于发光源在老鼠体内深度的不同可看到的最少细胞数是不同的。一般认为,每一厘米深度,发光强度衰减10倍,血液丰富的组织或器官(比如心脏、肝脏、肺脏)衰减多,与骨骼相邻的组织或器官衰减少。在相同的深度情况下,检测到的发光强度和细胞的数量具有非常好的线性关系,可由仪器量化检测到的光强度,反映出细胞的数量。

与光致发光的荧光现象不同,生物发光是指荧光素酶 (luciferase)分解荧光素 (luciferin) 发出的光,本质是一种化学反应。尽管生物发光强度与荧光相比较弱,但由于其无需激发光,减少了自发荧光、入射光波动等因素对图像信噪比的影响,且对样品没有光毒性干扰,在高质量活体成像上具有较大的发展潜力。

光再微弱,也可照亮世界。为了将生物发光引入生命科学成像研究,在实验中一般使用荧光素酶基因标记细胞DNA,外源加入荧光素引发发光反应进行成像观察。目前主要有四大显微镜厂家(徕卡,奥林巴斯,蔡司,尼康)致力于研发适用于生物发光成像的显微镜成像系统。


生物发光成像的缺陷

-成像信号弱:生物发光信号强度较弱,常规的检测器往往难以高效检测弱光信号,无法保证图像信噪比,这大大制约了生物发光成像的时空分辨率及应用范围。

-系统不稳定:生物发光实验需要外源加入荧光素引发发光反应,同时还需进行几小时甚至几天的活细胞实验,这对成像系统的稳定性提出了较大的考验。

-拓展开放少:单一的生物发光成像观察不但在预实验调节条件参数时带来不便,同时还限制了其应用的扩展完善。

生物发光成像系统配件的选择

针对生物发光成像的缺陷,Evident在奥林巴斯的基础上,专为单细胞生物发光成像发布了IXplore Live for Luminescence全新解决方案,这是一款一体化简约箱体式设计,能够全方位高效避免环境光干扰,保证高质量、简单易用的成像观察。不过,对于绝大部分应用于生物发光成像的显微镜成像系统来说,以四大显微镜厂家(徕卡,奥林巴斯,蔡司,尼康)为例,他们大部分的显微镜成像系统基本都是手动载物台和手动聚焦系统,对于客户来说会加大实验的繁琐性。

为了让客户能够更轻松的完成对生物发光成像的应用,PRIOR提供了一系列能够适用于不同显微镜型号的配件(正置或倒置显微镜载物台,控制器,荧光照明系统,样品架,电动z轴马达,独立的电动z轴模块)来替代四大显微镜厂商的手动载物台和手动聚焦系统。那么如何选用不同的配件来实现XYZ三轴的自动化升级,下面以某款正置显微镜或倒置显微镜为例进行分析。

在确定好显微镜型号判断为正置显微镜后,确定是需要两轴或者三轴的,若是两轴的,搭配正置显微镜载物台(例如图1 H101A,图2 H101F),之后配备控制器XY两轴操作杆以及样品架。若是三轴,则在两轴的基础上增加一款电动z轴马达(如图3 PS3H122R)以及XYZ三操作杆


H101A正置显微镜载物台与H101F正置显微镜载物台对比如下:

型号

H101A正置显微镜载物台

H101F正置显微镜载物台

行程

114x75mm

114x75mm

重复精度

±0.7μm

±0.7μm

分辨率

40-10nm

40-20nm

最大运行速度

100mm/s

100mm/s

特点

普通型

整体平整低矮,适用于高NA物镜


3 PS3H122R电动z轴马达


电动Z轴马达虽然说本身也有精度,但是马达的精度并不会影响z轴的精度,这是因为显微镜z轴的精度主要是由显微镜本身决定的,马达只负责提供转速。

如果需要进行自动对焦处理,PRIOR提供了一款激光自动对焦系统PF850系统(如图6 PureFocus850),通过控制内置电动补偿透镜,系统可以实现对成像深度的实时调整,并精确连续保持对焦效果。

4 PureFocus850自动对焦系统

若显微镜的型号是倒置显微镜,则只需要更改载物台的选择,选择倒置显微镜载物台(例如图4 HLD117,图5 H117),其他配置和正置显微镜的选择方式一致。

HLD117倒置显微镜载物台与H117倒置显微镜载物台对比如下:

型号

HLD117倒置显微镜载物台

H117倒置显微镜载物台

行程

120x80mm

114x75mm

重复精度

±0.15μm

±0.2μm

分辨率

50nm

10nm

最大运行速度

300mm/s

15mm/s

特点

线性直流电机,超高精度

步进电机,顶部平整


生物发光成像技术让研究人员能够观察活体动物体内的基因表达和细胞活动,是将分子及细胞生物学技术从体外研究发展到活体动物体内的强有力手段,正在被越来越广泛地应用于医学及生物学研究领域。由于其检测灵敏度极高,且操作简单,费用相对低廉,因此在生物科学研究领域有着广阔的应用空间。

本文介绍了PRIOR电动平台与奥林巴斯显微镜配合用于生物发光成像的方案和哪里。英国PRIOR也致力于提供一系列配件来完成显微镜成像系统的搭建,帮助客户实现生物发光成像的应用。







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