配置显微镜

生命科学是从微观层面观察和研究生命过程，从而揭示生命的物质基础和基本现象。显微成像是观察微小物体的重要手段，但其分辨能力受光学成像系统的限制（即衍射极限），无法满足现代生命科学研究要求的更高解析度、更准确的成像需求。熵智科技作为中国原创3D视觉创业公司第一梯队，横跨机器视觉与微纳光学两大领域，深刻认识到微纳光学在生命科学研究领域中的巨大价值。9月23日，熵智科技在西安发布自研的超分辨及共聚焦显微成像分析系统。该系统易用、性价比高，相较于国内外显微成像产品，不仅突破了光学成像系统的限制，轻松实现纳米尺度的2D/3D动态图像解析能力，还将共聚焦+超分辨+后处理分析完美融合，软件结合场景模块化。无论新手用户还是专家用户，只需通过一套界面即可获取一流的超高分辨率图像及分析结果。熵智科技超分辨及共聚焦显微成像分析系统工作原理超分辨显微成像分析系统采用结构光照明显微成像术（英文Structured Illumination Microscopy, 简称SIM），突破传统显微镜的阿贝衍射极限，实现生物组织、细胞、神经元等活动样本的快速超分辨率成像，为生命科学、生物工程等领域提供创新的超分辨率成像技术产品，几乎可集成于任何荧光显微镜。共聚焦显微成像分析系统的软硬件均采用模块化设计，硬件集成SIM超分辨模块、软件支持多种后处理功能，从而提供精确的2D/3D成像，以及动态过程的成像。目前，共聚焦和超分辨光路共用了光源准直部分、物镜部分、聚焦成像部分。主要功能超分辨及共聚焦显微成像分析系统视野超10倍扩展，达1mm，拥有精确的多微细胞结构生物显微影像分析功能，实现双光路同时，宽场、共聚焦、超分辨三种模式自由切换。大视野拼图：多种不同的图像获取方式、可实现500um*500um视场上图片进行拼接。图像增强及处理：可对采集到荧光图像进行增益调节、对比度调节、亮度调节以及色阶调节。反卷积处理：在原有采集到图像基础上，对图像数据做实时清晰度优化，达到消除背景噪声，有用信息表达更精准的作用，处理速度10ms以下，速度快；可进一步结合DNN方法，提高应用场景的鲁棒性。特征统计分析：对于识别出的细胞，对其强度、直径、周长等15个属性做数值量化。特征标记分类：可对细胞的特征进行标记和分类。单细胞定量分析：可以准确分割出相互重叠的细胞，精度更高，在专业单细胞识别的基础上，结合深度学习AI算法，可以精确识别互相挤压重叠的细胞核，而且对于细胞轮廓边界识别更加准确。亚细胞结构分析：可以定位某种蛋白或者某个基因表达产物在细胞的具体存在部位，如细胞核，胞浆内，结合AI图像分析方法，以表格和数据统计输出结果。细胞亚群圈选分析：筛选特定的感兴趣细胞亚群，进行了10余种参数分析。特殊细胞/结构识别：提供特殊细胞如脂肪细胞的识别和数量统计。多重荧光染色：实现细胞核、细胞质、细胞膜的各种形态和染色，精确寻找目的细胞及其结构。细胞寻找及跟踪：实现特定细胞的动态识别和跟踪。核心参数激光共聚焦超分辨显微参数配置普通光纤激光器激光405nm、488nm、561nm、640nm扩展HC-PCF激光器920nm探测器 PMT3个；波长：400-750nm，GaAsP最大拍摄速度8fps@512×512像素；2fps@1024×1024像素；4096×4096最高；更多可配置；扫描方式X-Y, X-Y-Z, X-Y-T分辨率250nm in x, y and 550nm in z 共聚焦120 nm in x, y and 320nm in z (488nm wavelength) 超分辨共焦视场Φ18mm-Φ25mm 内接正方形成像深度100μm灵敏度提升4倍相对信噪比 SNR优良级 50dB显微镜电动显微镜奥林巴斯 倒置IX73显微镜，具备明场、微分干涉、荧光等观察方式物镜奥林巴斯或Mitutoyo平场复消色差物镜（防腐蚀陶瓷表面以及红外色差矫正）选型载物台奥林巴斯 电动IX3-SSU 扫描精度优于0.7μm光学放大1.0X；1.5X；3.2X；20X 适配/转换器共聚焦/超分辨率光路切换（电动）、6位电动物镜转换器荧光装置配荧光光阑*相机（lattice）SCMOS，分辨率2048×2048，100fps@全幅面，位深12bit工作站Windows10 Pro 64 bit；硬盘≥1TB；内存16GB软件控制软件：图像采集及2D/3D/4D处理；共聚焦和超分辨配置；*成像分析：细胞自动识别、单细胞定量分析、亚细胞结构分析、细胞亚群圈选分析等防震台频率范围（5～30Hz）：≤30μm/s均方根；频率范围（＞30Hz）： ≤60μm/s均方根增配双光子成像激光生成组件、高速扫描头、前置补偿单元应用场景超分辨及共聚焦显微成像分析系统可应用于基础生物学、临床医学、病毒学、精准药物筛选等领域，为活细胞超分辨率智能成像提供解决方案。基础生物学：皮肤病例研究、类器官培养观察、微生物形态研究、胚胎发育成像、组织结构三维重构。如通过斑马鱼胚胎发育过程的成像，研究血管疾病和血管药物的新兴模型，从而更好解决人类血管疾病；通过光学切片, 确定其复杂的内部结构与组织功能之间的关系。临床医学：细胞形态结构鉴定、病理显微成像、异常细胞跟踪检测、组织形态学观察。利用计算机进行图像处理, 不仅可观察固定的细胞、组织切片, 还可对活细胞的结构、分子等进行实时动态观察和检测。通过它可以直接观测细胞形态学的组织、细胞之间的相互作用、组织微环境、伤口的愈合等成像，有助于了解病理机制，以开发疾病治疗方法从而促进人体健康有重要的意义。病毒学：植物病毒研究、动物病毒研究、医学病毒研究、环境病毒研究、噬菌体研究。采用超分辨技术，可以实现病毒感染细胞及复制、组装、释放等动态过程的研究。药物筛选：药材显微鉴别、载药微粒结构、药物扩散跟踪、制药成型和释药研究、药理药效研究。通过药物筛选确定干预的潜在治疗方法，加速早期药物的研发和确定疾病的模型。利用显微镜观察植（动）物药材内部的细胞、 组织构造，从而达到鉴定药材的目的。选择合适的药物靶分子，针对高分辨率成像的固定样品及活细胞进行分析，从而满足不同实验的需求。关于熵智科技熵智科技是国家级高新技术企业，拥有底层成像系统和算法开发能力，软硬件一体化，致力于通过高性能的成像技术解决机器人柔性化、微纳级检测与测量等问题。熵智科技自2018年成立至今，先后获得字节跳动、拓金资本、松禾资本、远望资本、华控资本等投资。深圳、武汉、西安三地联合办公，目前研发和工程团队70余人，核心技术人员均硕士及以上学历，博士6人。未来，熵智科技将继续深耕微纳光学领域，以更优的产品与服务回馈广大合作伙伴及客户。

2022年的春节已接近尾声，科研的小伙伴已经开始忙碌起来了，对于新学期是不是也有新的计划，发一篇sci的文章顺利毕业，脱单flag，头发多一点点，细胞养好，科研项目进展顺利，老师能给买台心仪已久的显微镜；你想知道选择什么种类的显微镜，正置还是倒置，宽场显微镜、超高分辨率显微镜、激光共焦显微镜等等，小本本备好，我们开始了。1不同成像原理，不同分辨率的显微镜如何选择显微镜作为生命科学领域研究的必须工具，其结构复杂，配置繁多，根据不同的配置和结构，相应的价格有很大的差异。那很多用户在实际采购过程中，看到长串的配置不知如何去选择，怎么用合理的价格去买到一个完全能够满足自己实验需求的显微镜呢？从今天这期推文开始，将会着重介绍选择显微镜的几个关键核心问题，目的是让用户能够在自己的预算范围内选择出符合自己实验需求的显微镜。首先要知道显微镜从开始诞生发展到现在，主要通过分辨率来划分，分为宽场显微镜、超高分辨率显微镜、激光共焦显微镜以及电镜。这一系列显微镜的分辨率从光镜的200纳米到超高与共聚焦的100多到几十纳米再到电镜的0.2纳米。并不是说显微镜的分辨率越高，就越适合我们的研究。分辨率越高，意味着其价格和操作的难度系数是逐级增长的。那我们如何去选择一个适合我们的显微镜呢？要根据老师和用户自己样品的大小去选择。2不同机型的选择我们在根据样品的大小和观察的实验需求，确定了某一类型的显微镜之后。我们需要根据实验样品去选择相对应的合适机型。显微镜的主要机型，根据其光路设计的不同，主要分为体视显微镜、正置显微镜和倒置显微镜。体视显微镜：体视显微镜，是一种具有正像立体感的显微镜，被广泛应用于材料宏观表面观察、失效分析、断口分析等工业领域。以及生物学、医学、农林、工业及海洋生物各部门。因为体视显微镜的光路设计，符合人体眼睛夹角的偏角，所以通过体视显微镜观察物体时，类似于我们眼睛的成像光路，这样会让我们看到立体的图像呈现。正是由于此设计，体视显微镜的分辨率要远低于传统的正置或倒置显微镜。体视显微镜更多的是观察小物体的宏观表象，而不是更为精细的细节。正置显微镜：正置显微镜作为最早诞生的机型它更多的是要配合玻片来对样品实现显微观察。如何来定义正置显微镜呢？显微镜物镜朝下，观察的样品在物镜的下方，这样的显微镜我们称之为正置显微镜。一般适用于的观察样品为：透明样品、薄的样片、生物切片、涂片等。但由于正置显微镜的机械设计，样品位于载物台与物镜中间。低倍物镜齐焦时，与载物台之间的距离大约为三厘米左右。像无法切割的厚样品，类似矿石、零件或者是在孔板、培养皿、培养瓶中培养的细胞，就无法在正置显微镜下进行观察，那由此人们设计了倒置显微镜。倒置显微镜：顾名思义，倒置显微镜与正置显微镜正好相反，那么定义也是相反的，物镜朝上，要观察的样品在物镜的上方，此类显微镜我们称之为倒置显微镜。我们可以看到倒置显微镜，物镜和载物台之间不再放观察的样品，样品是放于载物台的上面，所以样品的厚度就不会受到载物台与物镜之间距离的限制。因此倒置显微镜主要用于微生物、细胞、细菌、组织培养、悬浮体、沉淀物等的观察。介绍了三种不同形式的显微镜，相信我们的老师和用户对自己的样品适用于什么类型的显微镜已经有了一个大体的判断。当我们更多的去观察样品的立体结构，对细节和分辨率没有更高追求的时候，我们通常会选择体视显微镜。当我们的样品无法制成玻片或者不能放在玻片上时，我们就去选择倒置显微镜。如果能制成玻片就选择正置。为什么说能制成玻片就去选择正置呢？因为对于倒置显微镜来说，正置显微镜的高倍数观察更方便，比如60X和100X的油镜。同时，因为它的光路要比倒置更短，搭配高分辨率聚光器后分辨率更高，对比度更好。通过我们这期推文的介绍，老师对于选择哪种分辨率水平的显微镜，以及什么类型的显微镜会有一个较为清楚的了解。这些只是我们采购或选择显微镜的第一步，就是我们确定显微镜的类型。针对不同的观察样品，又会有其更为适应的观察方式，又有不同的光源，不同品质的物镜，供我们去选择。欲知后事如何，且听下回分解。｜申请试用｜ECHO 显微镜可以申请试用哦！关注“深蓝云生物科技”公众号，点击“云活动”→“试用中心”即可。

Siti Nur Afifa Azman , Eleonora Pavoni , Marco Farina扫描微波显微镜（SMM）在提供亚表面结构的成像和允许样品的局部定量表征方面是突出的。一种被称为反向扫描微波显微镜（iSMM）的新技术是最近开发的，旨在扩大该应用，超出当前对表面物理和半导体技术的关注。通过一个简单的金属探针，iSMM可以从现有的原子力显微镜（AFM）或扫描隧道显微镜（STM）转换而成，从而在带宽、灵敏度和动态范围方面形成传统的SMM。iSMM主要用于分析生物样品，因为它可以在液体中工作。扫描微波显微镜（SMM）[1]是扫描探针显微镜（SPM）[2]家族中的一种仪器，该家族包括众所周知的原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）。在SMM中，用作天线的探头在表面附近进行光栅扫描，在扫描过程中，记录微波信号的局部反射系数，提供关于表面和亚表面阻抗的信息。SMM的一个基本优点是它能够通过利用纳米探针和样品本身之间的近场电磁相互作用来定量表征样品的电磁特性。在一些实施方式中，矢量网络分析仪（VNA）被用作微波信号的源和检测器，通过导电探针辐射和感测微波信号。通常，SMM与一些其他SPM技术（例如AFM或STM）协同工作，提供了一种控制和保持探针和样品之间距离恒定的机制。基于SPM的SMM显微镜的使用最近在生物和生物医学领域获得了更多的关注，这是由于该技术能够测量与生理病理条件密切相关的电磁参数。然而，在极端环境（如用于保持细胞健康的生理缓冲液）中喂养SPM探针已被证明极具挑战性。作者于2019年引入的一种称为倒置SMM（iSMM）的新设置[3]克服了原始SMM与生理环境相关的大多数限制：倒置SMM的结构成本低、易于获得，并且与生理环境兼容，这也使得SMM能够应用于生物生活系统。其想法是将进料从探头移动到样品架；在iSMM中，样品保持器是一条传输线，通过该传输线测量反射和透射，而SPM探头（交流接地）仅干扰通过样品的传输线。因此，任何现有的SPM都可以创建iSMM，只需提供适当的样本保持器，当然，还可以使用软件同步传输线上的测量和SPM扫描。需要强调的是，所提出的系统是宽带的，能够实现频谱分析、时域分析和微波层析成像。到目前为止，SMM已被用于表征活的生物细胞，尽管在生理缓冲液中操作存在挑战[4，5]。除此之外，它还被用于负责细胞呼吸和能量生产的亚细胞细胞器，如线粒体[6]。iSMM已证明能够克服液体操作的局限性，这是首次在生理缓冲液中成功地对活细胞进行微波成像[3]。仪器开发几年来，研究活动一直基于一种自制的STM辅助SMM，该SMM是通过将Imtiaz[7]的系统的一些特性与Keysight[8]开发的系统混合而构建的。在这里，特别是结合了标准隧道显微镜，其反馈电路用于将探针与样品保持在给定距离，并在反射计设置中使用微波信号。然而，与Keysight仪器和其他可用设备不同，该仪器没有谐振器；因此，显微镜可以在VNA允许的整个频率范围内记录数据。具体而言，该系统利用并控制一台商用STM显微镜、NT-MDT的Solver P47和一台Agilent矢量网络分析仪PNA E8361，其带宽为67 GHz，动态范围为120 dB。例如，该技术被应用于线粒体成像[9]，以评估干燥的癌细胞，并被特意处理以确定掺入的富勒烯的存在[10]。通过利用在多个相近频率下获得的图像的相关性，并使用一种权宜之计，即时域反射法[11-13]，提高了系统灵敏度，这可以通过使用尖端/样本相互作用对微波信号进行“扩频”调制来理解；在频谱上传播的信息通过傅里叶逆变换在单个时间瞬间折叠来恢复。STM辅助的SMM提供了非常高质量的图像，减少了由于地形“串扰”而产生的伪影，即由于扫描期间探针电容的变化而产生的地形副本。然而，STM在处理导电性较差的样品（如生物样品）时极具挑战性，在液体中使用时更为困难。图1A）中所示的传统SMM通常是从AFM（或STM）获得的，其中微波信号被注入并由反射测量系统感测：反射信号和注入信号之间的比率，即所谓的反射系数（S11），可用于确定样品的扩展阻抗或介电常数，经过适当的校准和分析。这种单端口反射测量通常具有40-60dB的动态范围，这受到定向耦合器的限制。在图1（B）所示的iSMM配置中，导电扫描探针（AFM或STM）始终接地，微波信号通过传输线（例如共面波导、槽线）注入，以这种方式，传输线成为样品保持器。传输线的输入和输出连接到VNA，从而可以测量反射和传输信号（分别为S11和S21）[3,14,15]。这种双端口测量通常具有120−140 dB，这使得当接地探头扫描样品时更容易感测到接地探头引起的微小扰动。图1：（A）基于AFM的传统SMM和（B）倒置SMM的示意图。图2：干燥Jurkat细胞的同时（A）AFM和（B）iSMM|S11|图像。Jurkat细胞和L6细胞的iSMM表征最初，在干燥的Jurkat细胞以及干燥的和活的L6细胞上证明了iSMM[3]。图2显示了干燥Jurkat细胞的AFM和iSMM S 11图像的比较。同时，图3比较了盐水溶液中活L6细胞的AFM和iSMM S 21图像。iSMM S 11和S 21信号分别在4 GHz和3.4 GHz下滤波。干燥Jurkat细胞的iSMM S 11图像显示出与AFM相同的质量，而活L6细胞的iSMMS 21显示出由双端口SMM在液体条件下测量的透射系数形成的最佳质量。在这项工作中，透射模式测量的校准程序[16]应用于干燥L6电池的iSMM S21。图4说明了校准的效果，显示了AFM形貌图像、被样品形貌破坏的iSMM S21电容图像以及在6.2 GHz下去除了干燥L6电池的形貌效应的iSMM S 21介电常数图像。正如预期的那样，在干燥电池的外围附近出现了脊，但整个电池的介电常数为2.8±0.7。本质上，该值与电解质溶液中脂质双层的值相当[17]，但低于干燥大肠杆菌的值[18]。随后，对干燥的Jurkat细胞进行了iSMM反射模式测量的定量表征[19]。图3：盐水溶液中活L6细胞的同时（A）AFM和（B）iSMM|S21|图像。图4：干燥的L6电池的（A）AFM形貌、（B）iSMM|S21|电容和（V）iSMM| S21|介电常数图像。图5：（A）AFM形貌，（B）iSMM|S11|，（C）iSMMφ11，和（D）干燥Jurkat电池的介电常数图像。图6：（A）AFM形貌，（B）iSMM|S11|，（C）iSMM| S21|，（D）时间门控iSMM|S 11|，和（E） 葡萄糖等渗溶液中相同线粒体的时间门控iSMM|S21|图像。图5显示了AFM形貌、原始iSMM S11的大小以及在4GHz下同时获得的相位。该图显示了带样品和不带样品的区域之间的良好对比，揭示了与表面和亚表面区域中不同的电特性相关的其他特性。按照已经描述的算法校准原始iSMM S11图像[20]。图5（D）显示了干燥的Jurkat电池的提取介电常数图像，其约为2.6±0.3，并且在电池上均匀。该值与传统SMM在干燥的L6细胞上获得的先前数据一致[21]。生活环境中线粒体的iSMM表征iSMM的最新工作是在完全浸入液体中的线粒体上进行的，以非接触模式操作，最大限度地减少了对样品的损伤[22]。图6（A）、图6（B）和图6（C）显示了AFM形貌图像，其中iSMM图像S11和S21在直径约为1µm的同一线粒体上同时采集。在1.6-1.8GHz的频带上对iSMM信号进行滤波和平均。显然，|S11|和|S21|图像质量相当，并且都揭示了AFM图像中不存在的细节。由于线粒体是不导电的，所以从周围的CPW电极可以很容易地看到对比。与大多数SMM不同，iSMM能够进行宽带测量。因此，它使iSMM从1.6GHz到1.8GHz测量的S11和S21信号能够通过傅里叶逆变换变换到时域。随后，可以门控掉不需要的信号，以进一步提高SNR[13，20]。最后，图6（D）和图6（E）显示了时间门控iSMM S11和S21图像，显示了更精细的细节。iSMM探针和线粒体之间的相互作用阻抗可以从S11和S21测量中获得。反过来，可以提取线粒体介电性质的局部变化，正如SMM对活细胞所做的那样[3]。总结iSMM能够对生物样本的细胞内结构进行无创和无标记成像。iSMM可以通过任何现有的扫描探针技术轻松获得，只需使用合适的样品夹，为大多数实验室提供了利用该技术的机会。Jurkat细胞、L6细胞和线粒体的iSMM图像显示出良好的灵敏度和质量，显示了AFM形貌中无法看到的细节。通过实施为传统SMM开发的校准算法，分别对干燥的Jurkat细胞和L6细胞进行透射和反射模式测量的定量表征。Jurkat细胞的介电常数被确定为约2.6±0.3，而L6细胞显示为约2.8±0.7。时域分析定性地改进了iSMM，并提供了对样品（如线粒体）的更多了解。致谢我们要感谢我们的研究小组和所有为本报告的科学结果做出贡献的人。这项工作的一部分获得了欧洲项目“纳米材料实现下一代物联网智能能源收集”（NANO-EH）（第951761号赠款协议）（FETPROACT-EIC-05-2019）的资助。我们还要感谢来自意大利SOMACIS的Francesco Bigelli博士和Paolo Scalmati博士在实现样品架原型方面的帮助。附属机构：1 Department of Information Engineering, Marche Polytechnic University, Ancona, Italy联系；Prof. Dr. Marco Farina Department of Information Engineering Marche Polytechnic University Ancona, Italy m.farina@staff.univpm.it 参考文献：https://bit.ly/IM-Farina 原载：Imaging & Microscopy 4/2022. Inverted Scanning Microwave Microscopy—— Application and Perspective on Biological Samples供稿：符 斌，北京中实国金国际实验室能力验证研究有限公司