在生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究的廣闊領(lǐng)域中，活體成像技術(shù)以其非侵入性、實時動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，成為了觀察活體生物體內(nèi)細胞活動和基因表達的重要工具。而在活體成像的眾多技術(shù)中，差分干涉對比(Differential Interference Contrast，簡稱DIC)技術(shù)以其獨特的成像原理和廣泛的應(yīng)用場景，逐漸引起了科研人員的關(guān)注。本文將深入探討什么是活體成像的差分干涉對比技術(shù)，以及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用。

　　一、活體成像技術(shù)概述

　　活體成像技術(shù)是指在不對實驗動物造成傷害的前提下，應(yīng)用影像學(xué)方法，利用靈敏的光學(xué)檢測儀器對活體狀態(tài)下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究。這一技術(shù)能夠非侵入式、直觀地觀測活體動物體內(nèi)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移、感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達等生物學(xué)過程，為生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究及藥物開發(fā)等領(lǐng)域提供了強有力的支持。

　　活體成像技術(shù)主要包括生物發(fā)光(Bioluminescence)與熒光(Fluorescence)兩種技術(shù)。生物發(fā)光技術(shù)利用熒光素酶基因標記細胞或DNA，通過熒光素酶與其小分子底物熒光素在氧、Mg^2+離子存在的條件下消耗ATP發(fā)生氧化反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為可見光能釋放，然后在體外利用敏感的CCD設(shè)備形成圖像。熒光技術(shù)則采用熒光報告基團表達的熒光蛋白(如GFP、EGFP、RFP、YFP)或熒光染料等進行標記，通過激發(fā)光激發(fā)熒光基團產(chǎn)生發(fā)射光，實現(xiàn)成像。

　　二、差分干涉對比技術(shù)原理

　　差分干涉對比(DIC)技術(shù)是一種顯微鏡技術(shù)，它能夠為在明場顯微鏡下觀察時幾乎沒有對比度或沒有對比度的標本圖像引入對比度。使用DIC生成的圖像具有偽三維效果，使得該技術(shù)非常適合電生理實驗以及對未染樣本的觀察。

　　DIC技術(shù)的成像原理基于光的干涉現(xiàn)象。當從光源發(fā)出的光通過偏振片進行線偏振后，進入特定目鏡的棱鏡，被分成兩個垂直振動的光線。這兩束光通過一個凝聚器時，它們是平行的，但由于它們相互垂直振動，因此不能引起干涉。分裂光束穿過標本時，標本的不同厚度和折射率會改變光束的波導(dǎo)路徑。然后，這兩束光進入目鏡，在目鏡的后焦平面上聚焦。接著，它們進入鼻塞中的第二個棱鏡，被合并。由于光束穿過標本的不同部分，它們具有不同的長度，因此分析器(第二個偏振器)將光束的振動帶入相同的平面和軸，導(dǎo)致兩個波前之間的破壞性和構(gòu)造性干涉發(fā)生。最終，光線傳輸?shù)侥跨R或相機，形成具有強度和顏色差異的DIC圖像。

　　三、活體成像中的差分干涉對比技術(shù)應(yīng)用

　　在活體成像領(lǐng)域，差分干涉對比技術(shù)雖然不如生物發(fā)光和熒光技術(shù)那樣普及，但其獨特的成像優(yōu)勢在某些特定研究中卻發(fā)揮著不可替代的作用。

　　高分辨率的活細胞觀察

　　DIC技術(shù)能夠生成對比度良好的高分辨率圖像，非常適合觀察未染樣本。在活體成像中，這一特點使得科研人員能夠在不破壞細胞活性的前提下，對活細胞進行精細的結(jié)構(gòu)觀察。例如，在研究細胞遷移、細胞分裂等生物學(xué)過程時，DIC技術(shù)能夠清晰地展示細胞形態(tài)的變化，為研究人員提供直觀的視覺信息。

　　厚標本的成像

　　由于通常使用紅外(IR)光源，DIC技術(shù)非常適合成像厚標本，如腦片等。在活體成像中，這意味著研究人員可以對較深的組織層次進行觀察，而不必擔心光線的穿透性問題。這對于研究深層組織中的細胞活動和基因表達具有重要意義。

　　減少熒光干擾

　　雖然DIC技術(shù)不是熒光成像技術(shù)，但在某些情況下，它可以作為熒光成像的補充或替代方法。例如，在觀察熒光標記化合物時，使用DIC技術(shù)可以略微降低熒光強度，從而減少熒光干擾，提高圖像的清晰度和信噪比。這對于研究那些對熒光敏感或容易產(chǎn)生自發(fā)熒光的生物樣本尤為重要。

　　四、差分干涉對比技術(shù)的優(yōu)缺點

　　差分干涉對比技術(shù)在活體成像中具有獨特的優(yōu)勢，但同時也存在一些局限性。

　　優(yōu)點：

　　高分辨率：DIC技術(shù)能夠生成對比度良好的高分辨率圖像，適合觀察未染樣本。

　　厚標本成像：使用紅外光源，DIC技術(shù)能夠穿透較深的組織層次，適合成像厚標本。

　　減少熒光干擾：在某些情況下，DIC技術(shù)可以作為熒光成像的補充或替代方法，減少熒光干擾。

　　缺點：

　　成像速度較慢：相比生物發(fā)光和熒光技術(shù)，DIC技術(shù)的成像速度較慢，不適合進行高速動態(tài)觀察。

　　對樣本要求高：DIC技術(shù)需要樣本具有較高的透明度和均勻性，否則可能會影響成像效果。

　　設(shè)備復(fù)雜：實現(xiàn)DIC成像需要配備專門的顯微鏡和光學(xué)元件，設(shè)備較為復(fù)雜且成本較高。

　　五、差分干涉對比技術(shù)與其他成像技術(shù)的比較

　　在活體成像領(lǐng)域，差分干涉對比技術(shù)與其他成像技術(shù)各有優(yōu)劣，適用于不同的研究場景。

　　與生物發(fā)光技術(shù)的比較：

　　生物發(fā)光技術(shù)具有非侵入性、高靈敏度、高時空分辨率等優(yōu)點，適合用于監(jiān)測活體動物體內(nèi)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移、感染性疾病發(fā)展過程等生物學(xué)過程。然而，生物發(fā)光技術(shù)需要依賴熒光素酶基因標記細胞或DNA，且成像過程需要注射底物激發(fā)發(fā)光，操作相對復(fù)雜。相比之下，DIC技術(shù)雖然成像速度較慢，但無需標記和注射底物，操作更為簡便。

　　與熒光技術(shù)的比較：

　　熒光技術(shù)具有標記對象廣泛、費用低廉、操作簡便等優(yōu)點，適合用于標記細胞、抗體、藥物等生物樣本進行成像觀察。然而，熒光信號容易受到非特異性熒光干擾，影響成像效果。此外，長時間暴露于激發(fā)光下可能會對細胞造成損傷。相比之下，DIC技術(shù)雖然成像分辨率略遜于熒光技術(shù)，但無需激發(fā)光照射，對細胞無損傷，且能夠減少熒光干擾。

　　與相差顯微鏡技術(shù)的比較：

　　相差顯微鏡技術(shù)也是一種常用于觀察未染樣本的顯微鏡技術(shù)。然而，在相差顯微鏡中，凹光陰影抑制了孔徑，降低了圖像的分辨率。而DIC技術(shù)則使用顯微鏡的全孔徑進行成像，能夠獲得更高的分辨率。此外，DIC圖像不會受到光環(huán)的干擾，成像效果更為清晰。

　　六、差分干涉對比技術(shù)在活體成像中的發(fā)展前景

　　隨著生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究的不斷深入，活體成像技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。差分干涉對比技術(shù)作為一種獨特的成像手段，也將迎來更廣闊的發(fā)展前景。

　　一方面，隨著光學(xué)元件和成像設(shè)備的不斷進步，DIC技術(shù)的成像速度和分辨率將得到進一步提升，使其更加適用于高速動態(tài)觀察和高分辨率成像。另一方面，結(jié)合其他成像技術(shù)(如生物發(fā)光、熒光技術(shù)等)，DIC技術(shù)將能夠在更廣泛的研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。例如，在研究細胞間相互作用、信號傳導(dǎo)等復(fù)雜生物學(xué)過程時，DIC技術(shù)可以與其他成像技術(shù)相結(jié)合，提供更為全面和深入的視覺信息。

　　七、結(jié)論

　　活體成像的差分干涉對比技術(shù)是一種獨特的成像手段，它能夠為在明場顯微鏡下觀察時幾乎沒有對比度或沒有對比度的標本圖像引入對比度，生成具有偽三維效果的高分辨率圖像。在活體成像領(lǐng)域，DIC技術(shù)雖然不如生物發(fā)光和熒光技術(shù)那樣普及，但其獨特的成像優(yōu)勢在某些特定研究中卻發(fā)揮著不可替代的作用。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，DIC技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究提供更加精準和可靠的視覺信息。