什么是活体成像的差分干涉对比技术

　　在生命科学与医学研究的广阔领域中，活体成像技术以其非侵入性、实时动态监测的优势，成为了观察活体生物体内细胞活动和基因表达的重要工具。而在活体成像的众多技术中，差分干涉对比(Differential Interference Contrast，简称DIC)技术以其独特的成像原理和广泛的应用场景，逐渐引起了科研人员的关注。本文将深入探讨什么是活体成像的差分干涉对比技术，以及其在科学研究中的应用。

　　一、活体成像技术概述

　　活体成像技术是指在不对实验动物造成伤害的前提下，应用影像学方法，利用灵敏的光学检测仪器对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究。这一技术能够非侵入式、直观地观测活体动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程，为生命科学、医学研究及药物开发等领域提供了强有力的支持。

　　活体成像技术主要包括生物发光(Bioluminescence)与荧光(Fluorescence)两种技术。生物发光技术利用荧光素酶基因标记细胞或DNA，通过荧光素酶与其小分子底物荧光素在氧、Mg^2+离子存在的条件下消耗ATP发生氧化反应，将化学能转化为可见光能释放，然后在体外利用敏感的CCD设备形成图像。荧光技术则采用荧光报告基团表达的荧光蛋白(如GFP、EGFP、RFP、YFP)或荧光染料等进行标记，通过激发光激发荧光基团产生发射光，实现成像。

　　二、差分干涉对比技术原理

　　差分干涉对比(DIC)技术是一种显微镜技术，它能够为在明场显微镜下观察时几乎没有对比度或没有对比度的标本图像引入对比度。使用DIC生成的图像具有伪三维效果，使得该技术非常适合电生理实验以及对未染样本的观察。

　　DIC技术的成像原理基于光的干涉现象。当从光源发出的光通过偏振片进行线偏振后，进入特定目镜的棱镜，被分成两个垂直振动的光线。这两束光通过一个凝聚器时，它们是平行的，但由于它们相互垂直振动，因此不能引起干涉。分裂光束穿过标本时，标本的不同厚度和折射率会改变光束的波导路径。然后，这两束光进入目镜，在目镜的后焦平面上聚焦。接着，它们进入鼻塞中的第二个棱镜，被合并。由于光束穿过标本的不同部分，它们具有不同的长度，因此分析器(第二个偏振器)将光束的振动带入相同的平面和轴，导致两个波前之间的破坏性和构造性干涉发生。最终，光线传输到目镜或相机，形成具有强度和颜色差异的DIC图像。

　　三、活体成像中的差分干涉对比技术应用

　　在活体成像领域，差分干涉对比技术虽然不如生物发光和荧光技术那样普及，但其独特的成像优势在某些特定研究中却发挥着不可替代的作用。

　　高分辨率的活细胞观察

　　DIC技术能够生成对比度良好的高分辨率图像，非常适合观察未染样本。在活体成像中，这一特点使得科研人员能够在不破坏细胞活性的前提下，对活细胞进行精细的结构观察。例如，在研究细胞迁移、细胞分裂等生物学过程时，DIC技术能够清晰地展示细胞形态的变化，为研究人员提供直观的视觉信息。

　　厚标本的成像

　　由于通常使用红外(IR)光源，DIC技术非常适合成像厚标本，如脑片等。在活体成像中，这意味着研究人员可以对较深的组织层次进行观察，而不必担心光线的穿透性问题。这对于研究深层组织中的细胞活动和基因表达具有重要意义。

　　减少荧光干扰

　　虽然DIC技术不是荧光成像技术，但在某些情况下，它可以作为荧光成像的补充或替代方法。例如，在观察荧光标记化合物时，使用DIC技术可以略微降低荧光强度，从而减少荧光干扰，提高图像的清晰度和信噪比。这对于研究那些对荧光敏感或容易产生自发荧光的生物样本尤为重要。

　　四、差分干涉对比技术的优缺点

　　差分干涉对比技术在活体成像中具有独特的优势，但同时也存在一些局限性。

　　优点：

　　高分辨率：DIC技术能够生成对比度良好的高分辨率图像，适合观察未染样本。

　　厚标本成像：使用红外光源，DIC技术能够穿透较深的组织层次，适合成像厚标本。

　　减少荧光干扰：在某些情况下，DIC技术可以作为荧光成像的补充或替代方法，减少荧光干扰。

　　缺点：

　　成像速度较慢：相比生物发光和荧光技术，DIC技术的成像速度较慢，不适合进行高速动态观察。

　　对样本要求高：DIC技术需要样本具有较高的透明度和均匀性，否则可能会影响成像效果。

　　设备复杂：实现DIC成像需要配备专门的显微镜和光学元件，设备较为复杂且成本较高。

　　五、差分干涉对比技术与其他成像技术的比较

　　在活体成像领域，差分干涉对比技术与其他成像技术各有优劣，适用于不同的研究场景。

　　与生物发光技术的比较：

　　生物发光技术具有非侵入性、高灵敏度、高时空分辨率等优点，适合用于监测活体动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程等生物学过程。然而，生物发光技术需要依赖荧光素酶基因标记细胞或DNA，且成像过程需要注射底物激发发光，操作相对复杂。相比之下，DIC技术虽然成像速度较慢，但无需标记和注射底物，操作更为简便。

　　与荧光技术的比较：

　　荧光技术具有标记对象广泛、费用低廉、操作简便等优点，适合用于标记细胞、抗体、药物等生物样本进行成像观察。然而，荧光信号容易受到非特异性荧光干扰，影响成像效果。此外，长时间暴露于激发光下可能会对细胞造成损伤。相比之下，DIC技术虽然成像分辨率略逊于荧光技术，但无需激发光照射，对细胞无损伤，且能够减少荧光干扰。

　　与相差显微镜技术的比较：

　　相差显微镜技术也是一种常用于观察未染样本的显微镜技术。然而，在相差显微镜中，凹光阴影抑制了孔径，降低了图像的分辨率。而DIC技术则使用显微镜的全孔径进行成像，能够获得更高的分辨率。此外，DIC图像不会受到光环的干扰，成像效果更为清晰。

　　六、差分干涉对比技术在活体成像中的发展前景

　　随着生命科学与医学研究的不断深入，活体成像技术将在更多领域发挥重要作用。差分干涉对比技术作为一种独特的成像手段，也将迎来更广阔的发展前景。

　　一方面，随着光学元件和成像设备的不断进步，DIC技术的成像速度和分辨率将得到进一步提升，使其更加适用于高速动态观察和高分辨率成像。另一方面，结合其他成像技术(如生物发光、荧光技术等)，DIC技术将能够在更广泛的研究领域发挥重要作用。例如，在研究细胞间相互作用、信号传导等复杂生物学过程时，DIC技术可以与其他成像技术相结合，提供更为全面和深入的视觉信息。

　　七、结论

　　活体成像的差分干涉对比技术是一种独特的成像手段，它能够为在明场显微镜下观察时几乎没有对比度或没有对比度的标本图像引入对比度，生成具有伪三维效果的高分辨率图像。在活体成像领域，DIC技术虽然不如生物发光和荧光技术那样普及，但其独特的成像优势在某些特定研究中却发挥着不可替代的作用。随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，DIC技术将在更多领域发挥重要作用，为生命科学和医学研究提供更加精准和可靠的视觉信息。