标题

Size: px

Start display at page:

Download "标题"

夷姜
5 years ago
Views:

1 第 27 卷第 4 期 2018 年 8 月激光生物学报 ACTA LASER BIOLOGY SINICA Vol. 27 No. 4 Aug 偏振态显微成像技术用于细胞热损伤检测的研究袁伟丽 1 ꎬ 刘超 1 ꎬ 王永松 1 ꎬ 吴泳波 1ꎬ2 1ꎬ2 ꎬ 唐志列 (1. 华南师范大学物理与电信工程学院 ꎬ 广东广州 ꎻ 2. 广东省量子调控工程与材料重点实验室 ꎬ 广东广州 ) 摘要 : 本文采用偏振态显微成像系统对生物细胞热损伤进行监测 ꎮ 选取洋葱细胞绿萝细胞作为实验样品 ꎬ 对洋葱细胞绿萝细胞进行热损伤 ꎬ 通过比较细胞在热损伤前后的偏振态图像及其相应的偏振特性的变化 ꎬ 分析热损伤细胞的偏振特性变化而获得相关信息 ꎮ 实验结果表明 ꎬ 偏振态显微成像技术对于鉴别正常细胞和热损伤的细胞并评价细胞的损伤程度非常有效 ꎬ 比显微光强成像更清晰地反映了细胞形态结构发生的变化 ꎬ 在生物样品的特性研究及疾病诊断方面都有独特的优势 ꎬ 为鉴别与评价细胞损伤程度提供一种快速的无损的有效的新方法 ꎮ 关键词 : 偏振态成像 ꎻ 偏振色度值 ꎻ 细胞热损伤中图分类号 :Q631 文献标志码 :A DOI: / j. issn Polarization Microscopic Imaging Technology for cellular Thermal Damage Detection YUAN Weili 1 ꎬ LIU Chao 1 ꎬ WANG Yongsong 1 ꎬ WU Yongbo 1ꎬ2 ꎬ TANG Zhilie 1ꎬ2 (1. School of Physics and Telecommunication Engineeringꎬ South China Normal Universityꎬ Guangzhou 51000ꎬ Guangdongꎬ Chinaꎻ 2. Laboratory of Quantum Control Engineering and material of Guangdong Provinceꎬ Guangzhou 51006ꎬ Guangdongꎬ China) Abstract:The research designed a new method to evaluate thermal damaged cells. Polarization microscopic imaging was performed on onion cells and epipremnum aureum cells. By comparing and analyzing the changes in polarization characteristics of cells before and after thermal damageꎬ relevant information is obtained. The experimental results indi cate that the polarization microscopic imaging technique is effective in identifying normal cells and heat damaged cells and evaluating the degree of thermal damage. Polarized microscopic imaging reflects changes in cell morphological struc ture more clearly than microscopic intensity imagingꎬ it shows good development prospect in the study of biological sam ples and disease diagnosis. Polarization microscopic imaging technique is rapidꎬ non destructiveꎬ effectiveꎬ and it is a new method for identifying and evaluating the degree of cell damage. Key words:polarization imagingꎻ polarized chromaticity valueꎻ cell thermal damage 收稿日期 : ꎻ 修回日期 : 基金项目 : 国家自然基金项目 ( ) 作者简介 : 袁伟丽 ( ) ꎬ 女 ꎬ 广东河源人 ꎬ 硕士研究生 ꎮ 通讯作者 : 唐志列 ( ) ꎬ 男 ꎬ 博士生导师 ꎬ 教授 ꎬ 主要从事光信息处理方面的研究 ꎮ E mail:tangzhl@ scnu. edu. cnꎮ

2 第 4 期袁伟丽等 : 偏振态显微成像技术用于细胞热损伤检测的研究 321 肿瘤热疗可以通过热效应破坏肿瘤细胞的各种生物膜多种蛋白细胞骨架等促进肿瘤细胞的调亡 ꎻ 但是热作用也会对周围正常细胞的结构功能和生长代谢等造成影响 [1 4] ꎮ 温度越高则细胞损伤越严重 ꎮ 加热的温度过低可能会促进肿瘤的转移 ꎬ 而温度过高时则可能对周围的正常细胞造成不可逆转的损伤 ꎮ 因此在治疗中如何使热处理既能杀死肿瘤细胞又可以不损伤正常细胞具有十分重要的意义 ꎬ 也是目前研究的热点 ꎮ 故而研究细胞损伤就是其中急需解决的一个课题 ꎬ 可以为选择治疗激光功率和激光疗法提供更多参考信息 ꎮ 各种组织对热的敏感性不同 ꎬ 过热时可能产生的损伤和合并症也不同 [5] ꎮ 对细胞热损伤进行研究可以更好的指导进行热疗 ꎬ 避免产生有害的副作用 ꎮ 生物组织发生病变时往往伴随着微观结构的细微变化 ꎬ 许多生物细胞和细胞器等都具有独特的偏振特性 ꎮ 当光束生物细胞相互作用时 ꎬ 透过生物细胞的出射光便会携带细胞的偏振信息 [6 8] ꎮ 所以 ꎬ 通过偏振成像技术来研究生物细胞损伤的偏振特性可以对生物细胞的结构和功能作进一步研究 ꎮ 大多数生物结构都可以表现出一定程度的各向异性 ꎬ 如胶原纤维由丝状肌动蛋白和肌凝蛋白组成的应力纤维和微管以及有丝分裂的纺锤体等 ꎮ 因此细胞和细胞器 ꎬ 如线粒体光感受器和细胞核等都可以表现出双折射效应 [9] ꎮ 正常细胞的形态结构功能等都是处于比较稳定的状态 ꎬ 其偏振特性也是相对稳定不变的 ꎮ 然而 ꎬ 当外界的各种因素 ꎬ 如紫外线照射 ꎬ 高温烫伤等对细胞造成伤害时 ꎬ 很可能会引起细胞内离子稳态失衡和细胞功能障碍 ꎬ 进而引起其偏振特性发生变化 ꎮ 或者细胞或组织发生病变 : 细胞水肿脂肪变玻璃样变细胞核破裂等导致细胞损伤等也都会引起生物细胞发生结构和功能的改变而引发偏振特性的改变 [10 13] ꎮ 因此可以利用偏振成像技术来研究生物细胞的损伤 ꎬ 从而得到其形态结构和功能信息 ꎮ 这对于生物医学具有十分重要的作用和意义 ꎮ 本文提出将偏振态显微成像技术用来研究的生物细胞损伤前后的偏振特性的动态变化过程 ꎮ 偏振态显微成像技术可以获得物体的纯偏振特性图像 ꎬ 通过一幅图就可以直观地观察到生物细胞的全部偏振特性分布 ꎬ 将显微光强图像与偏振态分布图像所反映的信息进行比较 ꎬ 从而实现细胞损伤的鉴别和评价 ꎮ 1 材料与方法根据分振幅 Stokes 参量测量原理 ꎬ 四个光电探测器 D 1 D 2 D 3 D 4 同时测量得到的四路光强信号 I 与其入射光 Stokes 参量有这样的关系 : I = AS (1) A 表示系统可逆矩阵 ꎬ 根据 (1) 式 ꎬ 求得出射光 Stokes 矢量 ꎮ S = A - 1 I (2) 当一束光入射到样品出射光受到样品信息的调制携带了物质偏振信息 ꎮ 根据 Mueller 原理 ꎬ 入射偏振光的 Stokes 参量 S 与 Mueller 矩阵 M 及出射光的 Stokes 参量 S 间存在如下关系 : é S' 0 (xꎬy) ù é M 11 (xꎬy) M 12 (xꎬy) M 13 (xꎬy) M 14 (xꎬy) ùé S' 1 (xꎬy) M 21 (xꎬy) M 22 (xꎬy) M 23 (xꎬy) M 24 (xꎬy) = S' 2 (xꎬy) M 31 (xꎬy) M 32 (xꎬy) M 33 (xꎬy) M 34 (xꎬy) ë S' 3 (xꎬy) û ë M 41 (xꎬy) M 42 (xꎬy) M 43 (xꎬy) M 44 (xꎬy) û ë 或 S = MS (3) 由 (3) 式可知 ꎬ 当入射光的偏振态完全确定后 ꎬ 出射光的偏振态则完全由物质的偏振特性决定 ꎮ 即出射光的偏振态可以完全表征物质的偏振特性 ꎬ 因而可以利用偏振态成像获得物体全部的偏振信息 ꎮ 传统的偏振态成像形式是灰度图像 ꎬ 区分不同偏振特性的物体本只能基于不同的强度差异 ꎬ 因此其区分能力是有限的 [13] ꎮ 本文为了提高区分度将灰度偏振变量成像扩展为 RGB 颜色空间 ꎬ 这就意味着不同的颜色代表不同的偏振特性 ꎮ 这样不同偏振信息不仅可以通过强弱体现 ꎬ 也可以通过颜色体现 ꎬ 且能在细节上提高偏振信息的含量和提高偏振图像识别能力 ꎮ 把这种从偏振态转化过来的 RGB 颜色称为偏振态色度值 ꎮ 首先需要获得三个灰度偏振标 [15ꎬ16] 量 ꎬ 将这三个不同的偏振标量定义为 : P(RꎬGꎬB) = R( xꎬy) = S 3 ( xꎬy) ( xꎬy) G( xꎬy) = S 1 ( xꎬy) S 0 ( xꎬy) B( xꎬy) = S 2 ( xꎬy) S 0 ( xꎬy) S 0 S 1 S 2 S 3 ù û æ S (xꎬy) 3 (xꎬy) ꎬS (xꎬy) 1 (xꎬy) ꎬS (xꎬy) 2 ö ç (4) è (xꎬy) ø 由于 Stokes 参量 ꎬS 1 ꎬS 2 ꎬS 3 的取值范围都在 [- 1ꎬ1] 之间 ꎬ 把每个 Stokes 参量值分成 256 个灰

322 激光生物学报第 27 卷阶 ꎬ 由此得到相应的偏振色度值 ꎮ 通过 (4) 式解决了偏振态与像素点之间的对应问题 ꎮ 这样在一幅图中根据颜色分布就可以观察到物体的所有偏振特性分布情况 ꎬ 从而实时地对偏振信息变化进行监测判断 ꎮ 设计反射式偏振态显微成像系统 ꎬ 能快速地进行偏振态成像 ꎮ 图 1 偏振态成像实验装置简图 Fig.

3 322 激光生物学报第 27 卷阶 ꎬ 由此得到相应的偏振色度值 ꎮ 通过 (4) 式解决了偏振态与像素点之间的对应问题 ꎮ 这样在一幅图中根据颜色分布就可以观察到物体的所有偏振特性分布情况 ꎬ 从而实时地对偏振信息变化进行监测判断 ꎮ 设计反射式偏振态显微成像系统 ꎬ 能快速地进行偏振态成像 ꎮ 图 1 偏振态成像实验装置简图 Fig. 1 Schematic diagram of the polarization state imaging experimental device 注 :P0 P5: 偏振片 ꎻM: 反射镜 ꎻH M: 半透半反 ꎻGalvanometer mirror: 振镜 ꎻObjective: 显微镜 ꎻ Slide: 载玻片 ꎻD1 D5: 探测器 ꎻBS1 BS3: 分束镜 ꎻL1 L5: 透镜 ꎻW1:1 / 4 玻片 Note:P0 P5:Polarizerꎻ M:Mirrorꎻ H M:Semi reflection mirrorꎻ D1 D5:Detectorꎻ BS1 BS3:Beam splitterꎻ L1 L5:Lensꎻ W1:Wave plate 2 结果与分析 2. 1 细胞损伤模型建立对细胞损伤之前 ꎬ 首先利用两个偏振片相互正交的共焦显微成像系统对细胞进行光学各向异性成像测试 ꎮ 在偏振片相互正交的系统中 ꎬ 只有具有光学各向异性的区域才能改变入射光束的偏振态使得出射光能够通过检偏器 ꎬ 最终被探测器探测到 ꎮ 接着用探测到的光强值进行二维图像重建 ꎬ 通过图像的明暗区域就可以判断所选样品是否具有光学各向异性 ꎮ 实验结果如图 2 所示 ꎬ 其扫描范围为 600 μm 600 μmꎮ 由图 2 可见 ꎬ 图像中的明亮区域则表明实验中选取的洋葱鳞片叶表皮细胞样品明显具有光学双折射效应 ꎮ 细胞损伤模型的建立 : 第一步 ꎬ 先在载玻片上滴一滴配好的植物细胞等渗液 ꎻ 取一小块洋葱鳞片叶表皮细胞 ꎬ 置于滴有等渗液的载玻片上 ꎬ 用吸水纸吸走多余的等渗液 ꎮ 此时的洋葱细胞是正常的 ꎬ 把样品倒置在反射式偏振态显微成像系统的载物台上进行扫描成像获得其偏振态图像 ꎮ 图 2 起偏器与检偏器相互正交 - 洋葱细胞的传统偏振光共焦显微图像 Fig. 2 Polarizer and analyzer are orthogonal to each other - traditional polarized confocal microscopy images of onion cells 第二步 ꎬ 另取一块载玻片置于酒精灯加热 2 sꎬ 把

第 4 期袁伟丽等 : 偏振态显微成像技术用于细胞热损伤检测的研究 323 加热的载玻片轻轻地覆盖在载有洋葱细胞样品的载玻片上表面 ꎬ 使得热量透过载玻片传递到洋葱细胞上 ꎬ 从而热损伤细胞 ꎬ 建立起我们实验所需要用到的损伤模型 ꎮ 作用 1 minꎬ 移去热的载玻片进行扫描成像 ꎬ 实验结果如图 3( c) 和图 5( c) 所示 ꎬ 获得损伤后的细胞偏振态图像 ꎮ 第三步 ꎬ

4 第 4 期袁伟丽等 : 偏振态显微成像技术用于细胞热损伤检测的研究 323 加热的载玻片轻轻地覆盖在载有洋葱细胞样品的载玻片上表面 ꎬ 使得热量透过载玻片传递到洋葱细胞上 ꎬ 从而热损伤细胞 ꎬ 建立起我们实验所需要用到的损伤模型 ꎮ 作用 1 minꎬ 移去热的载玻片进行扫描成像 ꎬ 实验结果如图 3( c) 和图 5( c) 所示 ꎬ 获得损伤后的细胞偏振态图像 ꎮ 第三步 ꎬ 重复第二步的步骤 ꎬ 第二次载玻片置于酒精灯加热 6 sꎮ 作用在洋葱细胞上的时间延长至两分钟 ꎬ 使得细胞的损伤相比于前面一次要更严重 ꎮ 再次获得二次损伤后的偏振态图像 ꎮ 2. 2 细胞损伤共焦显微成像实验中选用洋葱的鳞片叶表皮细胞作为细胞损伤的样品 ꎮ 同时利用共焦扫描激光显微成像技术对生物细胞的形态结构变化进行监测研究 ꎮ 扫面范围为 250 μm 250 μmꎮ 实验结果如图 3 所示 ꎮ 图 3 洋葱细胞显微光强图像 Fig. 3 Onion cell microscopic intensity image ( a) ( b) 正常洋葱细胞显微光强成像图 ꎻ( c) 第一次热损伤洋葱细胞显微光强成像图 ꎻ ( d) ( e) 第二次热损伤洋葱细胞光强显微成像图 ( a) ( b) Normal onion cells microscopic intensity imageꎻ ( c) microscopic intensity image of first thermal damage onion cellsꎻ ( d) ( e) microscopic intensity image of the second thermal injury onion cells 在图 3 中 ( a) ( b) 是正常洋葱细胞连续两次成像 ꎬ 可以发现正常的洋葱细胞比较饱满均匀 ꎮ 当对洋葱细胞进行加热损伤后进行扫描成像 ꎬ 如图 3( c) 所示 ꎬ 可以看到细胞的形态发生了比较明显的变化 ꎮ 细胞的细胞壁的轮廓明显增大 ꎬ 对比图 3( a) 其边缘变得模糊 ꎬ 细胞中明暗部分差距增加 ꎬ 细胞出现了明显的失水收缩现象即发生质壁分离 ꎮ 继续对洋葱细胞进行第二次加热损伤 ꎬ 比较图 3( d) ( e) 可见 ꎬ 再一次进行热损伤 ꎬ 从共焦显微成像上未能看到特别明显的变化 ꎮ 利用共焦显微图像来检测洋葱细胞损伤的的变化过程 ꎬ 大体上可以从图像中细胞的结构形态的变化来判断细胞损伤 ꎮ 但从共焦显微图像中却无法清晰看出细胞第一次和第二次损伤细节变化 ꎮ 2. 3 细胞热损伤的偏振态成像利用图 1 反射式偏振态显微成像系统以 45 度线偏振光入射 ꎬ 扫描范围为 250 μm 250 μmꎬ 测量出样品各点出射光的 Stokes 参量 ꎮ 再根据 (2) 式转换成相应的偏振色度值进行图像重建得到样品的偏振态分布图像 ꎬ 结果如图 4( a) ( e) 所示 ꎮ 图 4( a) ( b) 为损伤前正常的洋葱细胞的连续两次扫描的偏振态图像 ꎬ 图中偏振色度值不相同的点即表示洋葱细胞具有的偏振特性不相同 ꎮ 比较图 4( a) 和图 4( b) 可见 ꎬ 这两幅图像的偏振色度值分布基本一样 ꎬ 从而排除了成像时间对偏振态的影响 ꎮ 接着对细胞进行热损伤 ꎬ 获取其偏振态图像如图 4 ( c) 所示 ꎮ 对比图 4 ( a) ( b) 和 ( c) 可见 ꎬ 洋葱细胞在热损伤后其偏振态发生了明显的变化 ꎬ 由原来的黄色变成了绿色 ꎬ 原来的蓝色变成紫色 ꎮ 说明洋葱细胞在受到热损伤后其偏振特性发生了变化 ꎬ 从而导致了偏振色度值的变化 ꎮ 这是因为 ꎬ 细胞受热之后 ꎬ 热应力导致生物大分子链的取向和排列发生了变化 ꎬ 从而导致细胞的热致双折射效应 ꎮ 在此基础上 ꎬ 对细胞进行第二次热损伤成像实验 ꎬ 得到图 4 ( d) 所示的偏振态图像 ꎬ 比较图 4 ( c) 和图 4 ( d) 可见 ꎬ 细胞进行第二次热损伤之后 ꎬ 其偏振色度值继续发生变化 ꎬ 即绿色变浅了 ꎬ 细胞壁变深了一些 ꎬ 说明细胞进行第二次热损伤之后其分子链的取向和排列继续发生改变 ꎮ 共在此基础上 ꎬ 经过 2 min 之后 ꎬ 再对洋葱细胞进行扫描成像 ꎬ 实验结果如图 4 ( e) 所示 ꎮ 比较图 4( d) 和图 4( e) 可见 ꎬ 其偏振态分布图像基本没有发生变化 ꎮ 这说明洋葱细胞经过第二次热损伤后已经失去活性 ꎬ 其结构形态已经基本处于稳定状态 ꎮ

ｏｆｎｏｒｍａｌｏｎｉｏｎｃｅｌｌｓꎻ ( ｃ) Ｆｉｒｓｔｔｈｅｒｍａｌｄａｍａｇｅｉｍａｇｉｎｇｏｆｏｎｉｏｎｃｅｌｌｓꎻ ( ｄ) Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｔｈｅｒｍａｌｄａｍａｇｅｏｎｉｏｎｃｅｌｌｓｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｔａｔｅｉｍａｇｉｎｇ图５Ｆｉｇ.

5 ３２４激图４Ｆｉｇ. ４光生物学报洋葱细胞的偏振态分布图像Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｍａｇｅｏｆｏｎｉｏｎｃｅｌｌｓ ( ａ) ( ｂ) 正常洋葱细胞偏振态成像图ꎻ( ｃ) 第一次热损伤洋葱细胞偏振态成像图ꎻ ( ｄ) ( ｅ) 第二次热损伤洋葱细胞偏振态成像图 ( ａ) ( ｂ) Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｉｍａｇｉｎｇｏｆｎｏｒｍａｌｏｎｉｏｎｃｅｌｌｓꎻ ( ｃ) Ｆｉｒｓｔｔｈｅｒｍａｌｄａｍａｇｅｉｍａｇｉｎｇｏｆｏｎｉｏｎｃｅｌｌｓꎻ ( ｄ) Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｔｈｅｒｍａｌｄａｍａｇｅｏｎｉｏｎｃｅｌｌｓｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｔａｔｅｉｍａｇｉｎｇ图５Ｆｉｇ. ５绿萝细胞Ｅｐｉｐｒｅｍｎｕｍａｕｒｅｕｍｃｅｌｌｓ ( ａ) 正常绿萝细胞显微光强图ꎻ( ｂ) 绿萝细胞热损伤显微光强图ꎻ ( ｃ) 正常绿萝细胞偏振态成像图ꎻ( ｄ) 绿萝细胞热损伤偏振态成像图 ( ａ) Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｉｎｔｅｎｓｉｔｙｍａｐｏｆｎｏｒｍａｌｇｒｅｅｎｒａｄｉｓｈｃｅｌｌｓꎻ ( ｂ) Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｉｎｔｅｎｓｉｔｙｍａｐｏｆｔｈｅｒｍａｌｄａｍａｇｅｏｆｅｐｉｐｒｅｍｎｕｍａｕｒｅｕｍｃｅｌｌｓꎻ ( ｃ) Ｐｏｌａｒｉｚｅｄｉｍａｇｅｏｆｎｏｒｍａｌｇｒｅｅｎｒａｄｉｓｈｃｅｌｌｓꎻ ( ｄ) Ｐｏｌａｒｉｚｅｄｉｍａｇｅｏｆｔｈｅｒｍａｌｄａｍａｇｅｏｆｅｐｉｐｒｅｍｎｕｍａｕｒｅｕｍｃｅｌｌｓ第２７卷

6 第 4 期袁伟丽等 : 偏振态显微成像技术用于细胞热损伤检测的研究 325 为了验证实验结果具有普遍性 ꎬ 此次还采用绿萝细胞做了相同的实验 ꎬ 结果如图 5 所示 ꎮ 图 5( a) 是正常的绿萝细胞光强显微图像 ꎬ 图 5 ( b) 是热损伤后的绿萝细胞光强显微图像 ꎮ 比较图 5( a) 和图 5( b) 可见 ꎬ 正常的绿萝细胞其细胞比较饱满 ꎬ 胞质均匀 ꎬ 而热损伤后绿萝细胞细胞质出现褶皱 ꎬ 有颗粒状物 ꎬ 细胞的形态发生了比较明显的变化 ꎮ 用偏振态显微成像技术对绿萝细胞进行成像 ꎬ 结果如图 5( c) 和 5( d) 所示 ꎮ 由图可见 ꎬ 绿萝细胞在热损伤前后其偏振态发生了明显的变化 ꎮ 正常的绿萝细胞偏振色度值分布较均匀表示胞质均匀 ꎬ 热损伤后细胞质偏振色度值变得不均匀 ꎬ 跟热损伤后细胞质变得不均匀出现褶皱相对应 ꎮ 正常的的绿萝细胞膜细胞壁细胞器完整 ꎬ 而热损伤后细胞膜破裂细胞壁断裂 ꎬ 而这些细节显微光强成像中并没有呈现出来 ꎮ 这说明了绿萝细胞在受到热损伤后结构和功能发生了变化从而导致偏振特性发生了变化 ꎬ 能从偏振色度值直观地反映出来 ꎮ 结果表明 ꎬ 偏振态显微成像技术能有效的鉴别正常细胞和损伤的细胞 ꎬ 实验结果具有普遍性 ꎮ 细胞热损伤后为什么出现了偏振态的改变? 我们对此查阅了大量的资料显示细胞受到热损伤后 ꎬ 温度升高细胞含有的蛋白质纤维等成分会发生脱水凝固变性 ꎬ 使细胞整体受到破坏 ꎬ 原本完整的结构变成细小结构 ꎬ 导致光学特性发生改变 ꎬ 从而热损伤后细胞偏振态发生改变 ꎮ 从图片也可以看到热损伤后的细胞出现颗粒状物 ꎬ 细胞壁断裂的现象 ꎬ 图像上的反映与查找的资料显示一致 ꎮ 3 讨论由以上实验结果可见 ꎬ 采用 Stokes 参量测量系统结合共焦显微成像技术 ꎬ 再引入偏振色度值这个成像物理量 ꎬ 可以实现偏振态的显微成像 ꎮ 与传统的偏振显微镜不同的是 ꎬ 偏振态成像技术是利用偏振态作为成像物理量进行成像 ꎬ 而传统的偏振显微镜是利用偏振光强 ( 即偏振态在某个偏振方向的投影 ) 作为成像物理量进行成像 ꎮ 因而偏振态成像技术能获得成像物体的全部偏振信息 ꎬ 比传统的偏振显微镜获得更多的信息 ꎮ 比较图 3 和图 4 可见 ꎬ 用共焦显微成像技术和偏振态显微成像技术都可以观察到植物细胞热损伤前后的形态变化 ꎬ 但共焦显微成像技术无法区分第一次热损伤和第二次热损伤的区别 ꎬ 而偏振态显微成像技术可以非常清晰地观察到两次热损伤后偏振态的改变 ꎬ 即可以用于观察细胞受损程度及其活性的变化 ꎮ 这是因为偏振态显微成像技术可以获得生物大分子的取向排列及其改变的信息 ꎬ 能够获得比单纯的强度图像更丰富的信息 ꎮ 生物细胞的热损伤过程非常复杂 ꎬ 温度升高会使细胞中的蛋白质纤维等成分会发生脱水凝固变性 ꎮ 这些变化会导致生物大分子的取向排列发生改变 ꎬ 从而引起其各向异性和偏振特性的改变 ꎮ 因此 ꎬ 偏振态显微成像技术可以用于研究细胞的热损伤过程及热损伤程度 ꎬ 可望在分子水平上研究细胞的分子动力学行为 ꎮ 参考文献 ( References) : [1] LEPOCK J R. Cellular effects of hyperthermia: relevance to the minimum does for thermal damage[ J]. International Journal of Hyperthermiaꎬ 2003ꎬ 19(3) : [2] PICKERING J Wꎬ BOSMAN Sꎬ POSTHUMUS Pꎬ et al. Changes in the optical properties ( nm) of slowly heated myocardi um[ J]. Applied Opticsꎬ 1993ꎬ 32(4) : [3] 何友武 ꎬ 李雪芳 ꎬ 吴淑莲. 基于 OCT 技术的鼠皮肤激光热损伤修复过程的监测 [ J]. 激光生物学报 ꎬ 2007ꎬ 16 (2) : HE Youwuꎬ LI Xuefangꎬ WU Shulian. Monitoring the process of tissue healing of mouse skin in vivo after laser irradiation based on optical coherence tomography [ J]. Acta Laser Biology Snicaꎬ 2007ꎬ 16(2) : [4] 吴淑莲 ꎬ 章小曼 ꎬ 李晖. 基于光学相干层析成像技术的皮肤组织非消融性光热损伤过程 [ J]. 激光生物学报 ꎬ 2010ꎬ 19 (2) : WU Shulianꎬ ZHANG Xiaomanꎬ LI Hui. Process of noninvasive photo thermal damage in skin using optical coherence tomography [ J]. Acta Laser Biology Snicaꎬ 2010ꎬ 19(2) : [5] 谭维溢. 局部加温疗法时正常组织的热损伤 [ J]. 神经损伤与功能重建 ꎬ 1987ꎬ 1(1) : 6 9. TAN Weiyi. Thermal injury of normal tissue during local warming therapy[ J]. Physical Medicine and Health Recoveryꎬ 1987ꎬ 1 (1) : 6 9. [6] 汤陌生. 荧光成像技术在组织热损伤评价中的应用 [ J]. 中国医疗设备 ꎬ 2016ꎬ 31(03) : TANG Mosheng. Application of fluorescence imaging in evalua tion of thermal damage to tissue[ J]. Research Workꎬ 2016ꎬ 31 (03) : [7] JI Qꎬ HE Hꎬ MA Hꎬ et al. Assessment of tissue polarimetric properties using Stokes polarimetric imaging with circularly polar ized illumination[ J]. Journal of Biophotonicsꎬ 2017ꎬ 5(28) : [8] 何燕玟 ꎬ 程怡 ꎬ 唐志列. Stokes 参量共焦显微术用于弱各向异性物质的成像研究 [ J]. 激光生物学报 ꎬ 2016ꎬ 25 (1) : HE Yanwenꎬ CHENG Yiꎬ TANG Zhilie. Imaging investigation of polarization confocal microscopy based on stokes parameters of weak anisotropic substance[ J]. Acta Laser Biology Sinicaꎬ 2016ꎬ 25(1) : [9] SHIN I Hꎬ SHIN S Mꎬ KIN D Y. Newꎬ simple theory basedꎬ accurate polarization microscope for birefringence imaging of bio logical cells[ J]. Journal of Biomedical Opticꎬ 2010ꎬ 15(1) : ( 下转第 306 页 )

2 激光生物学报第 25 卷 sueatcelularlevelisrealized.theexperimentalresultshowsthat:themicroscopyimageofweakanisotropicbiological tisuecanbemeasuredbythepolariz

2 激光生物学报第 25 卷 sueatcelularlevelisrealized.theexperimentalresultshowsthat:themicroscopyimageofweakanisotropicbiological tisuecanbemeasuredbythepolariz 第 25 卷第 1 期 2016 年 2 月激光生物学报 ACTA LASER BIOLOGY SINICA Vol.25No.1 Feb.2016 doi:10.3969/j.isn.1007 7146.2016.01.003 Stokes 参量共焦显微术用于弱各向异性物质的成像研究何燕玟 1, 程怡 1 1,2,3, 唐志列 (1. 华南师范大学物理与电信工程学院, 广东广州 510006;2.