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近日，清華大學精密儀器系尤政教授團隊提出了基于點陣激光激發方法的高通量流式成像方法。該方法可實現低成本、高可擴展性的成像流式細胞儀，而且首次驗證了全光譜成像流式技術。相關成果以“Imaging flow cytometry using linear array spot excitation”為題在期刊《Device》上發表，并被選為當期封面文章。

研究背景與成果

流式和顯微鏡是細胞檢測的兩個基本工具。流式技術具有高通量和豐富的分子檢測信息，但缺乏細胞形態信息；相反，熒光顯微鏡可以提供細胞影像信息，但檢測通量低，難以獲取足夠的樣本數據進行統計分析。自流式細胞儀問世以來，其發展趨勢一直在于保持高檢測通量的同時增加更多信息維度，例如空間形態信息或光譜信息，以實現更準確的細胞分析或分選。成像流式技術是一種整合了流式細胞儀高檢測通量和熒光顯微鏡空間分辨能力的儀器。然而，由于成像通量、分辨率和檢測靈敏度之間的基本矛盾，現有的成像流式技術通常采用復雜的光路系統、復雜的圖像重構算法，同時成像可擴展性也很有限。這使得成像流式細胞儀難以達到像傳統流式細胞儀那樣的高檢測通道數，并且其高昂的技術成本限制了應用范圍。

為解決這些問題，清華大學精儀系尤政教授課題組提出了一種基于點陣激光激發的成像方法，即Linear spot array excitation（LASE）。該方法的核心思想是使用點陣結構光斑替代傳統流式細胞儀中的橢圓或條狀光斑，從而賦予流式細胞儀成像能力。

圖1：點陣激光激發成像原理示意圖

圖1展示了該成像方法的工作原理。在檢測區域中，激發光斑呈一串等間隔的點陣光斑，由衍射光學器件生成，光斑間隔大于細胞大小，并且其排列直線與細胞運動直線呈一定的小角度。當細胞依次通過照明光斑時，將產生一串熒光和散射光信號。在圖像重構階段，只需通過信號的分割和重組即可重建細胞圖像。該方法具有實現簡單、實時重建的優勢，并且與現有流式細胞儀光路結構兼容，因此具有良好的可擴展性，能夠在高檢測通量的基礎上，同時實現多激光、多熒光通道以及無標記成像。

技術成果展示

圖2. 雙激光五通道成像流式系統

圖3.細胞器進行成像與細胞周期研究

本研究利用基于LASE成像方法構建了一個成像系統，具備2色激光（488nm/638nm）和5個成像通道（明場、FITC、PE、PI、APC），如圖2A所示。該系統經驗證在30×30μm的成像視場下，具有1.3μm的空間分辨率。當細胞樣本以5m/s的流速經過探測區域后，系統能夠進行無標記的明場成像和熒光成像，且不會出現運動模糊，成像通量最高可達每秒5000個細胞每秒。該系統不僅能夠對細胞中的細胞器結構進行成像（見圖3A），而且可以在多個熒光波段下，實現對不同細胞結構的同時成像（見圖3B）。在生物學應用中，圖像被廣泛視為金標準，因為它能夠為細胞分析提供更為豐富和準確的信息，從而更細致準確地進行細胞分型。舉例來說，通過圖像，可以在傳統流式基礎上更進一步區分細胞周期M期的細胞核形態，如圖3C所示。

圖4. 32通道全光譜成像流式驗證

得益于LASE成像方法的高度可擴展性，本論文將成像熒光信號引入一個基于棱鏡色散的32通道光譜儀中，初步驗證了全光譜成像流式細胞儀的可行性。該系統在保持每秒5000個細胞的檢測速度通量的同時，能夠同時在32個光譜通道上對細胞進行成像。借助光譜分解算法，可以有效解決多染料檢測實驗中染料光譜混疊效應的問題，將成像流式細胞儀的理論可檢測染料數擴展至30以上的量級。這將大大提高成像流式細胞儀給單細胞分析帶來的信息量。

成果優勢

該研究提出的點陣激光激發的成像方法，具有以下優勢：