科研成果 | 倍捷锐联合研发CM3紧凑型形态分子显微术

科研成果

倍捷锐联合创始人兼首席科学家——香港中文大学周仁杰教授团队在《Laser & Photonics Reviews》发表文章：紧凑型形态分子显微术在活细胞成像与材料表征的应用

Compact Morpho-Molecular Microscopy for Live-cell Imaging and Material Characterization

发表期刊：Laser & Photonics Reviews

发表日期：2024/2/9

香港中文大学生物医学工程学系周仁杰副教授团队在中科院一区TOP期刊《Laser & Photonics Reviews》上发表了题为 “Compact Morpho-Molecular Microscopy for Live-cell Imaging and Material Characterization”的研究论文。论文展示了一种新型紧凑型形态分子显微术（CM3），并证实了其在活细胞成像与材料结构表征领域的应用。

研究背景

传统的荧光显微和相衬显微技术在细胞成像领域有着广泛的应用，但成像效率低且功能单一。近年来，定量相位显微技术（QPM）作为一种无标记成像工具备受关注，它能够精确映射样品的光程差或相位延迟，用于量化细胞形态、解析材料结构等。然而，现有的QPM系统存在体积庞大、成本高昂等问题。另一方面，为了更全面地解析生物和材料结构，需要获取多维度信息，如形态学、分子学信息等，同时需要满足特定的测量条件，如无标记、高通量等。目前尚缺乏紧凑且易用的多功能测量系统来满足生物与材料领域的前沿成像和计量应用需求。

创新机制与应用

为解决当前显微技术的局限性，研究团队在离轴干涉QPM基础上提出了紧凑型形态分子显微技术（CM3）。通过单个相机捕获同一样品区域的波长多路复用定量相位图像和荧光图像，CM3可获取样品的多维度信息，实现对活细胞和材料的多功能表征。CM3拥有多方面创新，包括新型基于光纤组件的照明设计，可提高系统稳定性和紧凑性；高效采样傅里叶空间，实现波长复用离轴干涉测量；单相机同时采集定量相位图和荧光图等。研究人员基于CM3进一步创新并拓展其应用场景，包括：提出实时量化红细胞血红蛋白（Hb）浓度的测量模型；开发出解析陡峭结构高度的算法等。所提出一系列创新设计和算法使系统更加稳定且紧凑，并实现了基于单次测量的多功能成像。

图1：CM₃光学系统设计图

通过CM3平台，实验实现了色散样品的表征以及特定分子浓度的量化。如图2所示，利用多波长相位图，推导出物理模型来获得样品色散参数，并实现实时量化Hb浓度。通过同时测量红细胞的形态、动力学特性及Hb含量等一系列实验验证，证实了CM3在红细胞全面表征上的显著优势，这是传统单波长QPM方法无法实现的。进一步，通过选择适当的滤光片和激光波长，CM3实现了仅需一个相机同时采集相位图和荧光图，无需额外图像对准步骤。

图2：红细胞Hb浓度及形态实时测量

通过开发合成波长方法，研究人员扩展了剖面陡峭结构的深度测量范围，为大尺度结构测量提供了可靠且准确的解决方案。如图3所示，基于CM3所获取的不同波长下的相位图，首先得到合成波长（~ 3µm）相位图。进一步，利用合成波长测量结果引导相位展开，得到校正相位图，并从中计算出样本高度分布图。

图3：剖面陡峭结构的相位重构

总结和展望

作为一个紧凑且低成本的多模态光学成像平台，我们预期CM3将在科学研究和工程技术领域展示更广阔的应用前景，例如为细胞生理学的全面评估提供支撑，并促进潜在的临床测试应用。未来，研究人员将进一步完善CM3成像功能，如添加照明波长数量及荧光通道数量，以期进一步扩展其在生物与材料领域的应用。

科技创新与知识产权

项目获得了香港创新科技署大学科技初创企业资助计划(TSSSU)支持，主要作者参与孵化了倍捷锐科技，其中CEO孙瑞贡献了技术的应用场景拓展。倍捷锐申请了中、美及PCT专利。

文章信息：

M. Niu, Y. Wang, L. Duan, R. Sun, R. Zhou, Compact Morpho-Molecular Microscopy for Live-cell Imaging and Material Characterization. Laser Photonics Rev 2024, 2300741.

论文地址：

https://doi.org/10.1002/lpor.202300741

本文基于最新科研成果撰写，旨在分享科技前沿动态，促进学术交流与合作。

注：本文提及的专利信息及科研成果详情请参考原文献资料。