多波长、荧光数字全息显微术及在T细胞活化定量表征中的研究

Digital holographic microscopy, which is a kind of dynamic quantitative phase imaging technique with non-invasion, non-intervention, non-scanning, real-time and sub-nanometer resolution, can be used to inspect 3D morphometry and its fluctuation, surface quality of micro-area, the refractive in the measured object. Quantitative characterization the dynamic behavior of living cell in the physiological condition is one of the key research content for cell biology. Fluorescence labeling is a powerful tool to detect the behavior of cell and its molecules. Specially, multi-wavelength digital holographic microscopy with large measuring range, can be used in quantitative characterization the dynamic behavior of living cell in the physiological condition, and fluorescence digital holographic microscopy with non-coherent measurement, can be used in quantitative characterization the cell and its molecules labeled by fluorescence probe . In this project, firstly, the phase reconstruction algorithm, the image-object space inversion for single-wavelength, multi-wavelength and fluorescence digital holographic microscopy will be studied carefully, and then the multi-functional integrated system of multi-wavelength digital holographic microscopy and fluorescence digital holographic microscopy with will be set up. Finally, this integrated system will be used for quantitative characterization the dynamic behavior of T cell during T cell activation and the dynamic behavior of TCR domains and immune synapse. Importantly, this integrated system of multi-wavelength digital holographic microscopy and fluorescence digital holographic microscopy will supply a useful platform for quantitative characterization the state of T cell activation and its signal transduction.

数字全息显微术是数字全息与光学显微术结合的一种新的测量技术，具有非介入、非干预、非扫描、快速、全场、动态、三维成像和亚纳米量级超高分辨率的独特优点，是物体三维形貌、表面起伏、表面质量、内部折射率检测的有力工具。生理条件下细胞动态行为的定量表征是细胞生物学研究的热点和核心内容之一，而荧光标记是细胞和分子行为探测的重要手段。多波长和荧光数字全息显微术因其量程大和非相干测量特点，在活细胞动态行为和荧光标记细胞及生物大分子的动态行为定量表征方面有很好的应用前景。项目拟在研究解决单波长、双波长及荧光数字全息显微术相位重构和像-物空间反演中存在问题的基础上，建立多波长数字全息和荧光数字全息综合的多功能显微数字全息实验系统，应用该系统对非标记生理条件下的T细胞活化过程中的动态行为，以及荧光标记TCR微域和免疫突触动态行为进行定量表征研究，为研究T细胞活化状态的定量评价和活化信号传导的分子机制提

数字全息显微术是数字全息与光学显微术结合的一种新的测量技术，具有非介入、非干预、非扫描、快速、全场、动态、三维成像和亚微米量级高分辨率的独特优点，是物体三维形貌、表面起伏、表面质量、内部折射率检测的有力工具。生理条件下细胞行为的定量表征是细胞生物学研究的热点和核心内容之一。本项目以多波长和荧光显微数字全息的记录和相位重构为目标，围绕多波长和荧光显微数字全息记录和相位重构，对荧光数字全息显微术、同时相移多波长数字全息显微术、空域载频相移数字全息显微术以及显微白光干涉扫描测量术等的方法、技术和算法进行系统深入的研究。建立了基于LabVIEW控制的荧光数字全息显微测量系统，研究再现像分辨率与记录系统的参数的关系，提出了定量评价再现像质量的新方法；在此基础上，研究了单细胞荧光显微数字全息再现像与近场光学荧光成像的对应关系，T细胞免疫突触的荧光信号强度和相位变化与免疫信号传导的联系；对多波长数字全息显微术进行了系统深入的研究，建立了同时相移多波长数字全息显微系统，提出了一些相位重构的新思路和算法；将空域载频相移数字技术引入数字全息显微术，提出了一些相位重构的新算法，并将其用于动态过程相位测量；在此基础上，结合显微数字全息、原子力显微成像、近场光学显微成像和显微拉曼光谱等手段，研究单个T细胞活化或凋亡过程中其形态、体积、表面积和折射率等物理参量的定量表征方法，上述物理参量及变化与细胞生化成分及变化的映射关系, 以及细胞行为的表征方法。最后，建立了一套多波长数字全息和荧光数字全息综合的多功能显微数字全息成像实验系统, 研究其用于单个T细胞活化或凋亡过程中的相位测量方法，以及相位及变化与细胞动态行为的映射关系。项目达到了预定目标，取得了丰硕的成果：发表研究论文24篇，授权发明专利1件，申请发明专利1件，软件著作登记2件。参加国际和国内学术会议5次，宣读口头报告9篇。培养博士后1人，硕士研究生19人。