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- 惜惜and有有 2017-05-20 00:00:00
- 一、活细胞成像系统原理 目前主流的活细胞成像系统从原理上可以分为两大类: 基于宽场反卷积技术 基于共聚焦技术 两种技术作为目前Z流行的活细胞成像技术,均可以实现在维持细胞存活的情况下,快速获取单一焦平面的信号,在具体性能上则各有擅长。 宽场反卷积技术 对光线进行反卷积运算是光学成像领域的成熟技术,Z早由美国国家航空航天局开发并成为观察微弱天体信号的标准技术。去卷积和共聚焦技术是光学显微镜领域获得单一焦平面光线的两大主流技术(J.M.Murray, live cell imaging, 2010)。通过将非焦平面的光线还原至焦平面上,大大提高了样品信号的强度以及图像的信噪比。由于去卷积技术设计到大量的后期运算,因此在高性能计算机发明以前,一直受制于运算能力,没有得到大规模的推广。随着近年来计算机性能的大幅提升和价格的下降,去卷积技术逐渐成为光学显微镜的主流技术。一个点光源经过显微镜的光路,由于镜片对光线的衍射和散射,Z终呈现在观察者面前的是一个模糊的点,所以点光源变成模糊的点的过程即为卷积。反卷积就是把模糊的点还原成点光源的过程。 以API 公司的DeltaVision 系统为例,其反卷积过程经历以下几步: 1)首先通过无数的计算和实验,得到点光源经过显微镜物镜后变模糊的规律,建立模型。 2)选择wan美的物镜,保证样品信号经过物镜后变模糊的规律符合步骤一中得到的模型。 3)将通过显微镜光路的所有的光信号进行收集,因为点光源经过显微镜光路后会变成一个空间中的倒圆锥形,所以在收集信号的时候需要很准确的记录信号的Z 轴信息。 4)对收集到的所有光信号按照步骤一中的模型进行还原,Z终将模糊的点还原成清晰的点,客观反映它在空间的位置和强度。 目前去卷积技术越来越广泛地应用于生物学图像的研究中。 共聚焦技术 共聚焦显微镜它采用点光源(point lightsource) 照射标本,在焦平面上形成了一个轮廓分明的小的光点(light spot ) ,该点被照射后发出的荧光被物镜收集,并沿原照射光路回送到探测器。探测器前方有一个针孔(pinhole) ,几何尺寸可调。这样,来自焦平面的光,可以会聚在探测针孔范围之内,而其它来自焦平面上方或下方的散射光,都被挡在探测针孔之外而不能成象。光束扫描器又分为单光束、多光束或狭缝扫描器几种。其中单光束扫描获得的图像质量Z好,狭缝扫描器虽然产生图像的速率很高(可达实时水平) ,但其图像信噪比低于单光束扫描,这是因为从狭缝长轴来的漫射光不能被有效遮挡。多光束扫描如碟片式共聚焦是由电动马达驱动Nipkow 盘旋转而实现的,其荧光量较低,速率一般较高。 宽场反卷积技术与共聚焦技术比较表 二、API 高分辨活细胞成像系统的主要特点 DeltaVision 活细胞成像系统有以下优势: 1)高灵敏:得益于精密和GX的光路,以及lingxian的还原型反卷积技术,DeltaVision 将宽场显微镜的灵敏度和分辨率提高到新的水平,标准配置下Z低可以探测到13个GFP 分子,成为目前为止Z灵敏的光学显微系统之一。 HIV 病毒通过DC 细胞和T 细胞的接触侵染T 细胞,绿色颗粒为HIV 病毒 2)高速:标配下可达到 21 帧/秒(512×512)的成像速度。当配备EM-CCD 后,Z高可达到224 帧/秒(64×64),可用于囊泡运动和钙火花等快速的生理生化过程观察。 3)低光毒性:得益于灵敏度的显著提高,即使微弱的荧光,也可以收集到足够的信号,因此激发光的强度和时间可以大幅度减少。光损伤和光淬灭不再是活细胞和微弱荧光观察的障碍。 4)智能:焦点漂移和细胞脱离视野是活细胞观察的梦魇。DeltaVision 特有的自动对焦(autofocus)和细胞跟踪(cell tracking)功能,不仅可以自动维持焦平面的稳定,而且能够跟踪移动的细胞,使这些问题迎刃而解,长时间连续的活细胞观察不再困难。 通过对荧光信号和细胞轮廓的识别,DeltaVision 可以精确的跟踪需要观察的细胞。 5)免维护:整个系统无易损易耗部件,光源寿命在 5000 小时以上,可正常使用7-10年以上,无需更换光源和校准光路。。系统控制和图形处理基于Linux 操作系统,更适合多线程控制和数据处理,不仅大幅度降低了数据处理时间,也避免了在数据传输过程中感染病毒的危险。人性化的softWoRX软件简单易用,一个对话框内即可完成所有的控制操作。 三、API 高分辨活细胞成像系统的主要功能与应用领域 1)多维成像 目前可以做到六维(XYZ 三维,时间,不同点,不同波长)成像。通过光学切片(optical section)技术,实现对样品的3D 观察,构建样品的立体结构。 经过3D 重建的肿瘤细胞:A 为正面,B 为旋转30 度后,C 为旋转90 度后。 2)3D 还原型反卷积处理 显微镜的分辨率和图像的对比度取决于物镜收集的光学信息。显微镜光路中衍射和折射现象的存在,使得样品信号的位置和强度都发生了变化,降低了系统的分辨率和图像的质量。API 作为对图像数据进行反卷积处理Z早的实践者,将显微镜的硬件设计和后期软件处理wan美的结合在一起,通过对光学信号的3D 还原型反卷积处理,大大提高了显微镜的灵敏度和分辨率。 原始图像和经过3D 反卷积处理后图像的对比:A,B 为处理前,C,D 为处理后。 经过反卷积处理后,信号的强度和图像对比度得到很大提升。 3)延时摄影 通过软件精确的控制,拍摄的时间间隔从数秒到数小时不等,在长时间拍摄下也不会造成荧光信号的淬灭。根据实验需求的不同,无论单一层面还是3 维结构,都可以获得良好的效果。 正在分裂的Hela 细胞,其中绿色标记微管蛋白,红色标记染色体 4)高速离子成像 结合高速 CCD 和GX的光路,在512×512 像素下仍然可以实现21 帧/秒的成像速度。对于快速的离子浓度的变化,Z快可以50-100 帧/秒的速度获取图像。 细胞间钙信号的传递。使用Fluo‐3 标记胞内的钙离子,并给予荧光信号对钙离子的强度进 5.荧光共定位分析 通过比较多个荧光通道的定位情况,即可知道他们在空间上和时间上的分布信息,进而得到相应的荧光信号是否存在相互作用、协同运动、定向运输等。 体外重组的病毒颗粒侵染细胞,绿色标记病毒的壳蛋白,红色标记病毒的RNA结合蛋白。病毒入侵前,由于病毒颗粒完整,绿色信号和红色信号共定位。病毒入侵细胞后,脱掉表面的壳蛋白,绿色信号和红色信号分离。 6)荧光共振能量转移(FRET) DeltaVision 特制的活细胞滤片组保证CFP/YFP,GFP/mcherry(RFP)荧光强度的精确记录,并进一步计算出蛋白对之间精确的能量转移系数。 计算不同荧光通道荧光信号的强度,进一步可得到能量转移系数。 主要应用领域: 1)细胞迁移与细胞骨架; 2)细胞分裂与细胞周期; 3)细胞信号转导; 4)组织分化与发育; 5)囊泡和蛋白运输; 6)生理学和神经科学; 7)钙离子信号研究; 8)蛋白质与DNA 的相互作用; 9)宿主与病原体相互作用; 10)癌症研究; 11)药理研究; 12)生物物理研究。
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热门问答
- 活细胞成像是直接把培养的细胞放到工作站吗
- 细胞传感器就是把细胞放到传感器上吗
- 活细胞工作站和荧光显微镜的区别
- 什么是活细胞成像,怎样才能得到一张好的活细胞成像图
• 什么是活细胞成像?
活细胞成像(live cell imaging)统称为捕捉活的、活动状态的细胞图像的技术,这些细胞图像可以是单个静态图像,也可以是延时系列图像。相应地,活细胞成像的应用可以分为两大类:
❶ 细胞在自然状态下的图像记录。
❷ 实时观察和记录细胞、组织或整个生物体的动态过程。
• 观察分析活细胞时面临的挑战
▷ 在相对较短的时间内采集大量信息。
▷ 要保持细胞保存在可调节培养环境气体浓度和温度(在很多情况下)的培养室中。
▷ 激发光源会损害活细胞。
▷ 细胞焦面漂移,无法聚焦。
▷ 需要使用配备有软件或硬件控制自动对焦的成像仪器来避免这种情况。
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▶ Focus Map自定义多点聚焦:可以自动完成不同层面的自动聚焦。
▶ Z-Stacking多层扫描大景深成像:完成多层面大景深成像。
▶ DHR智能实时数字化降噪:实时完成反卷积计算,得到清晰图像。
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- 明美活细胞成像仪用于细胞挑选
在许多细胞生物学实验室中,活细胞成像是一种理想的分析工具。现有的活细胞成像主要依赖昂贵的、难以操作的大型设备。而明美新研发的一款活细胞成像仪,小巧轻便,适合放在超净工作台。
活细胞成像仪是一台适合小规模细胞培养的小巧轻便成像设备,它采用WiFi相机无线连接,可以适配电脑、手机、平板等多种终端设备,标配明场和相差两种观察方式,可选三通道LED荧光实现荧光观察,可选电动XYZ三轴实现自动对焦,可选3个物镜实现不同观察需要。
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来源:https://www.mshot.com/article/1363.html
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细胞生物学是生命科学的一门学科。顾名思义,它致力于研究生物。单凭这一事实就足以成为研究细胞自然生存状态的理由。当然,活细胞成像还有其他深层次的原因。在本篇文章中,我们列举了用延时显微镜研究活细胞是有意义的五大很好的理由。
背景
活细胞成像允许在一定时间内在显微镜下对细胞进行体内观察。各种显微镜技术适用于活细胞成像:例如,可以采用无标记的技术,如相差,DIC,或干涉测量法,也可以依靠荧光显微镜,利用荧光标记标记和可视化细胞亚结构、分子或蛋白质。当然,活细胞成像也面临挑战,在建立活细胞图像实验时需要考虑某些要求。最重要的是,必须确保显微镜配备了一个stage top 培养箱,能够提供理想的环境,使细胞在一段时间内保持存活和健康。
图1.A:活细胞成像过程中需要考虑和控制的环境参数
图1.B:倒置显微镜的台顶培养箱示意图
参数和环境条件是此类实验的重要部分,我们将在以后的公众号中讨论。如果您有兴趣,可以在本篇文章中查看更多相关内容。在此我们已经介绍了基本知识,接下来我们将继续深入探讨为什么您应该使用活细胞成像来研究您的细胞:
1.避免固定过程中的人工制品
细胞通常在显微镜观察前固定(如免疫荧光),以保存在逼真的状态。多年来,许多不同的化学和物理程序已被优化和建立,以保持原始样品的质量。然而,固定过程会对细胞造成损害(当然在这个过程之后,它们会死亡),并不可逆转地改变其组织、结构和形态(细胞器收缩、蛋白质定位错误等)。然而,活细胞成像可以让我们研究活细胞。这意味着他们应该展示他们的自然形态,这仍然会受到荧光标签、激光等的影响,但这就像环境条件一样,是一个不同的状况。
2.观察和分析动态过程
活细胞成像使我们能够观察整个细胞群、单个细胞甚至亚细胞水平的动态事件。当固定细胞将其锁定在特定时间点的特定(行为或结构)状态时,对活细胞的显微镜观察可以洞察整个动态过程。基于功能性细胞的检测,如损伤和迁移(图2)或趋化实验是活细胞成像应用的很好的例子。这些分析使得研究细胞对化学(趋化性)或机械(伤口愈合)刺激的反应成为可能。
图2:使用ibidi Stage Top孵育系统的活细胞成像显示了伤口愈合和迁移试验中MCF7细胞的间隙闭合。相差;10倍物镜。
3.实时跟踪细胞变化
活细胞显微镜是实时了解细胞随时空变化的一种有价值的方法,而不是依赖于固定细胞的端点的分析结果。通过使用延时视频显微镜对细胞进行更长时间的跟踪,可以捕捉到结构重排的动态(如图3,感受趋化刺激后细胞骨架的极化), 或使用固定细胞可能会错过的瞬时细胞性活动(如,有丝分裂期间的染色体分离)。
图3:应用趋化梯度后,表达LifeAct的原代树突状小鼠细胞中肌动蛋白动力学的活细胞成像
4. 研究单分子动力学、定位和相互作用
先进荧光标记和成像技术的发展,如光脱色荧光恢复技术(FRAP)、荧光寿命成像显微技术(FLIM)和荧光共振能量转移技术(FRET),使活细胞成像过程中单分子定位、动力学和相互作用的观察和分析成为可能。
FRAP可以测量活细胞内荧光标记分子和蛋白质的迁移率。FLIM通过测量附着的荧光团的寿命来提供有关细胞分子分布及其环境的信息。
利用FRET,人们可以通过检测两个分子在纳米级相互接近时所附荧光团的相互作用来测量活细胞中两个分子的直接相互作用。
5. 从单个实验中获取更多信息
总的来说,如果您进行活细胞成像,您可以从单个实验中获得比从固定细胞成像更多的信息。这是因为活细胞成像使人们能够跟踪分子动力学和动力学,并提供了您感兴趣的一个更大、更全面的细胞过程图像。
对固定样本的分析通常只提供某个细胞性活动的快照,而跟踪整个动态过程使人们能够从单个实验中测量更多参数,并得出更多不同的结论。
如您有兴趣了解更多关于活细胞成像的知识,请关注我们公众号活细胞成像应用相关内容。也可以向我们索要相关资料。
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