基于全息光镊的光学衍射层析相位成像技术研究

Cell is the basic unit of the morphological structure of living organisms. Investigating the morphological features and subcellular structures in the level of a single cell is of great significance to revealing the mechanism of some life activities. As a label-free and noninvasive imaging technique in measuring the three-dimensional refractive index of an object, optical diffraction tomography (ODT) has huge potential in researches of cell biology. However, there exists the problem of missing cone in most ODT techniques. To solve this problem, in our project we propose to combine the ODT and holographic optical tweezers. We employ holographic optical tweezers to rotate the biological cells and measure the phase at various angles simultaneously. Then, we reconstruct the three-dimensional refractive index of cells, from which we can obtain the morphological and biochemical information of cells. The ODT phase imaging technique based on holographic optical tweezer has the merits of high-precision manipulation, label-free and non-invasion measurement. The research to be performed in our project mainly includes: (1) Theoretical and experimental study on the stable rotating of biological cells with an angle of 360° using holographic optical tweezers; (2) Research on the axial-plane phase imaging technique; (3) Theoretical and experimental study on the ODT technique based on optically rotation of biological cells with an angle of 360° using holographic optical tweezers. The research conducted in our project will provide a strong support and a technical platform for the study of the dynamics of a single living cell.

细胞是生物体形态结构的基本单元，在单细胞水平上研究细胞组分及其形态对于揭示某些生命活动的机制具有重大意义。作为一种测量物体三维折射率的无标记成像技术，光学衍射层析相位成像在细胞生物学研究中有着巨大的应用潜力。然而，目前的光学衍射层析技术普遍存在着失锥问题。针对这个问题，本项目提出结合全息光镊和光学衍射层析技术的方法，利用全息光镊控制生物细胞旋转，同时测量细胞的多角度相位信息，然后重建细胞的三维折射率分布，获取细胞的形态学和生物化学信息。基于全息光镊的光学衍射层析技术具有精确操控样品和无损、无标记的优点。本项目的主要研究内容包括：（1）全息光镊控制生物细胞360°稳定旋转的理论与实验研究；（2）轴平面相位成像技术研究；（3）基于全息光镊控制生物细胞旋转的光学衍射层析相位成像理论与实验研究。本项目的研究将为单细胞生物学研究特供有力的技术支持和研究平台。

细胞是生物体形态结构的基本单位，单细胞尺度的活细胞研究对于分析细胞差异性、揭示生命活动的机制具有重要意义。然而，细胞是相对透明的物体，使用传统光学显微镜难以分辨其精细结构。基于光镊的光学衍射层析（Optical Diffraction Tomography，ODT）技术可对溶液中的细胞进行捕获和无损成像，实现三维结构的定量分析。ODT技术要求对细胞样品实现360°可控稳定旋转。将光镊与ODT技术结合，可以充分发挥两者的特点，为研究水溶液中活细胞的形态和动力学特性提供一个新的技术手段。.本项目提出基于全息光镊实现对细胞的姿态控制和旋转操控，开展基于全息光镊的细胞捕获、操控及成像观察分析研究。本项目开展的主要研究内容包括三方面内容：轴平面光学捕获与成像技术、全息光镊算法和光场优化、微粒捕获和细胞旋转的实验观察与测量。.得益于空间光场调控技术的快速发展，全息光镊可产生任意排列的三维光阱阵列对细胞进行捕获与动态操纵。全息图算法是实现全息光镊稳定旋转细胞的关键，本研究开展全息图迭代算法的研究，通过优化光阱的强度分布提高光阱的控制精度和细胞旋转稳定性。提出了发明了无零级光场复振幅调控技术优化光阱光场分布，提出了基于自由透镜调制法产生广义完美光涡旋。在实现细胞的360°稳定旋转的基础上，本研究开展轴平面（X-Z或Y-Z平面）成像技术的研究，设计搭建轴平面同时捕获与成像系统。.本项目提出的轴平面光学捕获与成像技术，打破了传统光学捕获技术的操控范围局限在焦平面附近的限制，首次实现了轴平面（X-Z）全息光镊动态操控多粒子的功能，极大地提升了光镊在三维空间操控粒子的能力。基于三维十字光阱对单细胞进行包括平移、沿光轴旋转、沿翻转等操作，对细胞的操控和多角度成像测量与分析研究有重要的意义。这些研究成果为多功能光学微操纵技术的开发和应用打下良好的理论和技术基础，将为实现单细胞水平的细胞生物学研究提供一个新的成像方法。