一种联机全息显微镜，能够被用于在逐帧基础上分析视频流，以跟踪个别胶体粒子的三维运动。该系统和方法能够提供实时纳米分辨率，并同时测量粒子大小和折射率。通过应用Lorenz-Mie分析与选定硬件及软件的组合，该分析能够以近乎实时完成。有效的粒子识别方法以足够精度使初始位置估算自动化，使全息跟踪和表征能够实现无人看管。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用全息视频显微术的自动实时粒子表征和三维速度计量本工作通过许可证No.DMR-0606415 受National Science Foundation 的支持。美国政府依据该National Science inundation许可证享有一定权益。交叉参考相关专利申请本申请要求于2009年1月16日递交的美国临时申请No. 61/145，402、2008年 6月19日递交的美国临时申请No.61/073，959、2007年10月30日递交的美国临时申请 No. 61/001, 023 和 2008 年 10 月 30 日递交的 PCT 申请 No. PCT/US2008/081794 的优先权。 这些申请的内容本文全文引用，供参考。
技术介绍
胶体粒子，尤其是球的这种表征，在工业化学、物理和生物医药应用的许多方面中，是重要和盛行的事情。重要功能性的多样化正在被寻找以实行各种表征，包含1)基于小球的分子结合化验，2)流场测量，3)全息图中自动的粒子图像检测，和4)粒子特性的实时分析。例如，相干照明习惯上还没有被广泛用于粒子图像速度计量，因为产生的全息图像难以定量地解读。因此，荧光产量的测量已经被用于实行用单色全息成像的基于小球的分子结合化验。然而，这样的方法要求以常规化验的荧光标记，该常规化验要求数万小球以消除非特殊荧光芽孢(fluorospore)结合和非故意漂白的膺像。近来已经证实，即便在粒子沿光轴相互吸附时，胶体粒子的全息视频显微术图像能够被用于按三维定位粒子的中心。更早把唯象模型用于观察散射图样证实，获得的跟踪分辨率可与用常规粒子成像方法获得的相当。在这些研究中，与常规成像方法相比，相干照明的主要优点是极大地扩展工作距离和焦深。然而，这些方法是低效的，不允许进行任何实时分析且甚至不能够实行大量表征(如上面列举的四点)。因此，上述表征迄今尚无可能，还没有商品化的可行性或问题依然没有明显解决。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供多种表征方法和系统，使用全息视频显微术，按自动、 实时方式分析诸如球体的胶体粒子。附图说明图IA示出联机全息视频显微镜的例子；图IB是被放大的图IA围绕样本部分；干涉图样被示出在图IC(I)中，而图1C(2)示出使图IC(I)拟合到Lorenz-Mie理论的推算， 以获得各种不同的测量；图2示出在、的相对误差和处理速度，用于按照本专利技术进行的拟合到用一维查阅表(正方形)和单准确度GPU加速拟合(圆)测量的2.2 μ m直径石英球体的全息图像；插入的图像示出典型的201X201像素全息图，而误差是相对于单线程CPU(中央处理单元) 上获得的加倍准确度结果计算的，该CPU的处理速度用虚线表示，而光滑曲线是对眼睛的指导。图3A和:3B分别是三个胶体球体的原来的和变换的全息图像；图3A中重叠的线段表示由三个代表像素投出的“选票”，而图:3B中的强度是按选票数量的比例画的，黑代表0 而白代表800选票，重叠的表面图示出中间球体的变换(标尺条表示ΙΟμπι)；图4示出水中1.5μπι直径石英球体的全息图估算的均方根误差，作为半径Aap、 折射率Δηρ、和轴向位置的函数，图中曲线表示被八％参数化的最小误差路径；图5Α示出全息粒子图像速度计量，是通过500个胶体球体的维度流轨测量的，这些球体沿压力驱动流在微流体通道向下流动，每一球体代表在全息快照(snapshot)的一个场中粒子位置，而来自场序列的特性被链接成有灰度级的流轨，该灰度级表明粒子被测量速度的范围；图5B示出沿竖直方向的Poi seui 11 e流分布图，是从图5A数据以不在阴影区的粒子与通道的上和下玻璃壁交互作用得到的(虚线曲线是与预期的抛物线流动分布图的拟合)；图6A(1)用于水中商品化聚苯乙烯球形粒子连续样本的作为折射率和观察的大小的函数的流动粒子的分布；图6A(2)是图6A(1)用于粒子大小的2D横截面，而图6A(3) 用于折射率，两个图都是按其他参数的平均值；图6B(1)和图6BQ)示出作为平均速度函数的流轨平均半径和折射率；图7(A)示出以亮圆表示的结合生物素化聚苯乙烯(biotinylated polystyrene) 球体的抗生物素蛋白的检测，以暗圆表示的原始球体中被测量粒子半径的概率分布具有用脱醣抗生物素蛋白培育后的球体样本的对应分布(虚线曲线是对眼睛的指导)；图7(B)是与箭头指示的概率再分布等价的粒子折射率分布，该箭头从原始样本中低密度的尾部指向有涂层样本中的峰；和图8示出用于实施本专利技术的方法的计算机系统的示意方块图。 具体实施例方式为实施本专利技术而构造的全息显微镜100在图IA中被示意示出。样本110以准直并线偏振的光束120照明，该光束来自工作在真空波长λ = 632. 8nm(Uniphase 5mff)的 He-Ne激光器。其他激光器波长，诸如λ = 537nm也能够被采用(5W的Coherent Verdi)。 被样本110散射的光130与照明光束120的未被散射部分干涉，以在显微镜100的焦平面或成像平面125中形成联机全息图。得到的外差散射图样(见图IC(I))被显微镜的物镜 145 (Zeiss S Plan Apo 100X油浸，数值孔径1.4)放大，并被以IX视频目镜投影到视频摄像机135(或对一些实施例是多台摄像机)(NEC TI-324AII)，该摄像机以101 μ m/像素的系统放大率每33ms记录Ims的曝光。如在下文所描述，这种散射的或干涉的图样，被拟合到Lorenz-Mie理论的推算(见图ICO))。该视频信号或者作为30帧/s的未压缩数字视频流被记录在商品化数字视频记录器(Pioneer H520S)上，供离线分析，或者用Arvoo Picasso PCI-25Q帧捕获器直接数字化，以得到8比特图像A(r)。用以前记录的背景图像B (r)规格化每一图像，消除因反射和光序列中不完善产生的寄生干涉条纹，并提供用于分析的实值阵列a(r) =a(r)/B(r)0在我们的实施方案中，在640/480阵列中每一像素粗略地包含5比特信息。我们用普遍化的Lorenz-Mie散射理论的结果解读a (r)中的数据。显微镜焦平面中的电场，是入射平面波五0(0 =和由于围绕中心 的球体产生的散射图样Es(r) =u0(rp)fs(k(r-rp))的叠加。这里k = 2 π ηω/λ是光在折射率 介质中的波数。在规格化之后， 权利要求1.一种用全息显微术表征样本的参数的方法，包括的步骤有从存储介质提供样本的图像数据；把Lorenz-Mie分析应用于来自样本的图像数据，以表征样本的性质并产生样本的参数的信息特征；和同时地实时确定样本粒子的大小、位置和折射率。2.按权利要求1定义的方法，其中提供图像数据的步骤，包含产生偏振光束并使该光束散射离开样本，以产生全息图。3.按权利要求1定义的方法，其中该Lorenz-Mie分析包含使用图形处理单元，通过以图像数据的并行处理执行Lorenz-Mie分析。4.按权利要求3定义的方法，还包含步骤变换图像数据，以确定图像数据中物体数量的第一估算和在平面中物体大致的χ、y位置；使用被变换的数据，确定每一物体轴向位置 (ζ)的第一估算以及每一物体的大小和成分的第一估算；本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种用全息显微术表征样本的参数的方法，包括的步骤有：从存储介质提供样本的图像数据；把Ｌｏｒｅｎｚ－Ｍｉｅ分析应用于来自样本的图像数据，以表征样本的性质并产生样本的参数的信息特征；和同时地实时确定样本粒子的大小、位置和折射率。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：D·G·戈里尔，F·C·张，肖可，
申请(专利权)人：纽约大学，
类型：发明
国别省市：US
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