Digitální holografická mikroskopie

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Digitální holografická mikroskopie (DHM, anglicky Digital Holographic Microscopy) aplikuje metodu digitální holografie na mikroskopii. Je často využívána v buněčné biologii, neboť umožňuje neinvazivní vizualizaci a kvantifikaci neznačených (tzv. label-free) živých buněk.

Definice[editovat | editovat zdroj]

Digitální holografická mikroskopie (DHM) aplikuje metodu digitální holografie, tj. pořízení digitálního záznamu a numerickou rekonstrukci hologramů, na mikroskopii. Digitální holografická mikroskopie se vyznačuje tím, že nereprodukuje obraz sledovaného objektu, ale vytváří digitální hologram ze světelných paprsků, které vzorkem prošly (v případě transmisní digitální holografické mikroskopie), nebo jím byly odraženy (při reflexní digitální holografické mikroskopii).[1][2][3]

Historie[editovat | editovat zdroj]

Dennis Gabor

Holografie[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku Holografie.

Holografii objevil v roce 1948 maďarsko-britský vědec Dennis Gabor, když pracoval na zdokonalení elektronového mikroskopu. Gaborovi byla za tento objev v roce 1971 udělena Nobelova cena za fyziku.[4] K rozvoji holografie však došlo až s vynálezem laseru, intenzivního bodového zdroje koherentního světla. Průkopníky holografických metod byli ruský vědec Y. Denisyuk a dvojice amerických vědců E. Leith a J. Upatnieks.[5][6]

Digitální holografie[editovat | editovat zdroj]

Vznik digitální holografie byl umožněn vynálezem počítačů. Digitální holografie, tj. tvorba hologramu z 3D objektu pomocí počítače, se zpočátku neodlišovala od počítačem generované holografie, tj. generování hologramu počítačem. První digitální hologramy vznikaly koncem 60. let a začátkem 70. let 20. století. V roce 1966 vytvořili B. R. Brown and A. W. Lohmann první počítačově generovaný hologram.[7] O rok později, v roce 1967, zhotovili J. W. Goodman and R. W. Lawrence digitální obraz z hologramu.[8] Pojem digitální holografie byl poprvé použit T. S. Huangem v roce 1971.[9]

Digitální holografická mikroskopie[editovat | editovat zdroj]

První digitální holografické mikroskopy navrhli v 90. letech 20. století nezávisle na sobě E. Cuche a I. Yamaguchi.[10][11] Potřebné technické vybavení však dosáhlo kvality nutné k vytvoření kvalitního obrazu až počátkem 21. století. První patentovaný digitální holografický mikroskop byl sestrojen švýcarským týmem ve složení P. Marquet, C. Depeursinge , P. J. Magistretti a E. Cuche v roce 2004.[12]

Typy digitální holografické mikroskopie[editovat | editovat zdroj]

Transmisní digitální holografická mikroskopie[editovat | editovat zdroj]

Transmisní digitální holografická mikroskopie využívá principů transmisní holografie. Hologram vzniká na na základě průchodu světla vzorkem. Tato metoda je vhodná pro pozorování transparentních vzorků, jako jsou živé buňky.[2]

Reflexní digitální holografická mikroskopie[editovat | editovat zdroj]

Reflexní digitální holografická mikroskopie je založena na metodě reflexní holografie. Hologram vzniká díky odrazu světla od vzorku. Tento přístup se využívá pro mapování povrchů vzorků.[2]

Další typy[editovat | editovat zdroj]

Byla vytvořena celá řada metod, technik a přístupů, jimiž lze digitální holografickou mikroskopii obohatit. Existuje celá řada konfigurací např. off-axis Fresnelova holografie, Fourierova holografie, in-line holografie, Gaborova holografie, image plane holografie či holografie s fázovým posunem.[13][14]

Princip[editovat | editovat zdroj]

Schéma transmisního digitálního holografického mikroskopu.

Digitální holografická mikroskopie[editovat | editovat zdroj]

Pro vytvoření hologramu se jako zdroj koherentního světla nejčastěji používá laser. Laserový paprsek je děličem paprsků rozdělen na osvětlovací a referenční paprsek. Osvětlovací paprsek prochází kondenzorem a dopadá na vzorek.

Při transmisní digitální holografické mikroskopii osvětlovací paprsek vzorkem prochází a vzniká předmětový paprsek.

V případě reflexní digitální holografické mikroskopie se osvětlovací paprsek od vzorku odráží za vzniku předmětového paprsku.

V obou situacích předmětový paprsek nese informaci o vzorku. Předmětový paprsek je zachycen objektivem. Dělič paprsků opět spojí předmětový a referenční paprsky, které díky tomu mohou interferovat a tvořit hologram, jenž je zaznamenáván kamerou za vzniku digitálního hologramu. Pomocí počítačového softwaru je z digitálního hologramu rekonstruován obraz vzorku.[2][12][13]

Srovnání digitální holografické mikroskopie (vlevo) a mikroskopie s fázovým kontrastem (vpravo).

Rozlišení digitální holografické mikroskopie se shoduje s rozlišením klasické světelné mikroskopie a stejně tak je limitována numerickou aperturou. Oproti klasické světelné mikroskopii však poskytuje lepší osové rozlišení, a to přibližně 5 nm.[15]

Kvantitativní fázové zobrazování[editovat | editovat zdroj]

Digitální holografická mikroskopie využívá kvantitativní fázové zobrazování. Při průchodu světelné vlny vzorkem s proměnlivým indexem lomu či o proměnlivé tloušťce dochází ke změně fázové distribuce vlny. Tato fázová změna je detekována a poskytuje informace o analyzovaném vzorku.[16]

Aplikace[editovat | editovat zdroj]

Buněčná biologie[editovat | editovat zdroj]

Apoptóza

Největší uplatnění digitální holografická mikroskopie našla v buněčné biologii. Umožňuje totiž neinvazivní vizualizaci a kvantifikaci neznačených (tzv. label-free) živých buněk, a to suspenzních i adherentních.

Dělení rakovinných buněk.

Možné aplikace:

Samoopravný polymer.

Mapování povrchů[editovat | editovat zdroj]

Pomocí digitální holografické mikroskopie lze detekovat mikrostruktury povrchů v nanoměřítku.[18] Navíc umožňuje snímání celého zorného pole najednou bez nutnosti skenování. Díky tomu lze sledovat dynamické změny v topografii studovaných povrchů.[19]

MEMS[editovat | editovat zdroj]

Digitální holografická mikroskopie je užitečná pro charakterizaci MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).[14]

Výhody[editovat | editovat zdroj]

Kvantitativní fázový obraz buněk.

Mezi hlavní výhody digitální holografické mikroskopie patří:

  • vizualizace neznačených (tzv. label-free) transparentních buněk
  • nízká fototoxicita
  • minimum obrazových artefaktů
  • možné kombinace s dalšími zobrazovacími technikami, např. fluorescence, DIC (diferenciální interferenční kontrast), bright field (mikroskopie ve světlém poli)
  • a další.[2][16]

Zajímavosti[editovat | editovat zdroj]

Unikátní digitální holografický mikroskop, který jako zdroj světla nevyužívá laser, byl vynalezen profesorem Radimem Chmelíkem a jeho týmem z Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně. Profesor Radim Chmelík za tento objev v roce 2016 obdržel cenu Česká hlava. Komerční verze mikroskopu je nabízena společností Telight pod názvem Q-Phase.[16][20]

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. ↑ MARQUET, Pierre; RAPPAZ, Benjamin; MAGISTRETTI, Pierre J. Digital holographic microscopy: a noninvasive contrast imaging technique allowing quantitative visualization of living cells with subwavelength axial accuracy. Optics Letters. 2005-03-01, roč. 30, čís. 5, s. 468. Dostupné online [cit. 2023-04-03]. ISSN 0146-9592. DOI 10.1364/OL.30.000468. (anglicky) 
  2. ↑ a b c d e f What is Digital Holographic Microscopy?. News-Medical.net [online]. 2017-06-07 [cit. 2023-04-03]. Dostupné online. (anglicky) 
  3. ↑ RAPPAZ, Benjamin; BRETON, Billy; SHAFFER, Etienne. Digital Holographic Microscopy: A Quantitative Label-Free Microscopy Technique for Phenotypic Screening. Combinatorial Chemistry & High Throughput Screening. Roč. 17, čís. 1, s. 80–88. Dostupné online [cit. 2023-04-03]. DOI 10.2174/13862073113166660062. PMID 24152227. (anglicky) 
  4. ↑ The Nobel Prize in Physics 1971. NobelPrize.org [online]. [cit. 2023-04-03]. Dostupné online. (anglicky) 
  5. ↑ JOHNSTON, Sean F. Absorbing New Subjects: Holography as an Analog of Photography. Physics in Perspective. 2006-05, roč. 8, čís. 2, s. 164–188. Dostupné online [cit. 2023-04-03]. ISSN 1422-6944. DOI 10.1007/s00016-006-0264-8. (anglicky) 
  6. ↑ Holography | optics | Britannica. www.britannica.com [online]. [cit. 2023-04-03]. Dostupné online. (anglicky) 
  7. ↑ Optica Publishing Group. opg.optica.org [online]. [cit. 2023-04-04]. Dostupné online. DOI 10.1364/ao.5.000967. 
  8. ↑ GOODMAN, J. W.; LAWRENCE, R. W. Digital image formation from electronically detected holograms. Applied Physics Letters. 1967-08-01, roč. 11, čís. 3, s. 77–79. Dostupné online [cit. 2023-04-04]. ISSN 0003-6951. DOI 10.1063/1.1755043. 
  9. ↑ YAROSLAVSKY, Leonid P. Digital holography: 30 years later. In: San Jose, CA: [s.n.], 2002-06-03. Dostupné online. DOI 10.1117/12.469249. S. 1–11.
  10. ↑ CUCHE, Etienne; POSCIO, Patrick; DEPEURSINGE, Christian D. Optical tomography at the microscopic scale by means of a numerical low-coherence holographic technique. In: Optical and Imaging Techniques for Biomonitoring II. [s.l.]: SPIE, 1996-12-11. Dostupné online. DOI 10.1117/12.260653. Svazek 2927. S. 61–66.
  11. ↑ ZHANG, Tong; YAMAGUCHI, Ichirou. Three-dimensional microscopy with phase-shifting digital holography. Optics Letters. 1998-08-01, roč. 23, čís. 15, s. 1221–1223. Dostupné online [cit. 2023-04-04]. ISSN 1539-4794. DOI 10.1364/OL.23.001221. (EN) 
  12. ↑ a b Apparatus and method for digital holographic imaging. Původci vynálezu: Marquet PIERRE, Cuche ETIENNE, Depeursinge CHRISTIAN. United States. Patentový spis 20050036181. 2005-02-17. Dostupné: <online> [cit. 2023-04-04].
  13. ↑ a b KIM, Myung K. Principles and techniques of digital holographic microscopy. Journal of Photonics for Energy. 2010-04-01, s. 018005. Dostupné online [cit. 2023-04-14]. ISSN 1947-7988. DOI 10.1117/6.0000006. (anglicky) 
  14. ↑ a b KIM, Myung K. Principles and techniques of digital holographic microscopy. Journal of Photonics for Energy. 2010-04-01, s. 018005. Dostupné online [cit. 2023-04-14]. ISSN 1947-7988. DOI 10.1117/6.0000006. (anglicky) 
  15. ↑ BALLY, Gert Von. Digital Holographic Microscopy. Optik & Photonik. 2007-01-01. Dostupné online [cit. 2023-04-14]. 
  16. ↑ a b c Telight Q-Phase • Telight [online]. 2020-11-04 [cit. 2023-04-14]. Dostupné online. (anglicky) 
  17. ↑ Applications • Telight [online]. 2020-11-04 [cit. 2023-04-14]. Dostupné online. (anglicky) 
  18. ↑ ACHIMOVA, E.; ABASKIN, V.; CLAUS, D. Noise minimised high resolution digital holographic microscopy applied to surface topography. Computer Optics. 2018, roč. 42, čís. 2, s. 267–272. Dostupné online [cit. 2023-04-14]. ISSN 0134-2452. DOI 10.18287/2412-6179-2018-42-2-267-272. 
  19. ↑ CUCHE, Etienne; EMERY, Yves; MONTFORT, Frédéric. One-shot analysis. Nature Photonics. 2009-11, roč. 3, čís. 11, s. 633–635. Dostupné online [cit. 2023-04-14]. ISSN 1749-4885. DOI 10.1038/nphoton.2009.207. (anglicky) 
  20. ↑ 120xFSI: Světově unikátní mikroskop z Brna odhaluje dříve neviděné ▪ FSI VUT v Brně. www.fme.vutbr.cz [online]. [cit. 2023-04-14]. Dostupné online. 

Související odkazy[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Digitální_holografická_mikroskopie&oldid=23135154“