Biomedical Optics Express|Laser induced forward transfer isolating complex-shaped cell by beam shaping

2021.10.21

摘要

2021年10月，中科院长春光机所李备研究员团队，在期刊《Biomedical Optics Express》上发表文章“Laser induced forward transfer isolating complex-shaped cell by beam shaping”。

该工作基于激光诱导向前转移技术，结合图像识别与光束整形技术，实现了对于复杂形态、不同大小的微生物细胞（丝状菌、鞭毛虫等）的单细胞弹射分选。作为长光辰英核心产品——PRECI SCS单细胞分选仪的技术升级,目前可分选微生物尺寸从500nm-100μm，极大扩展了该技术可分选细胞的尺寸范围，此外该技术亦可同时分选多个单细胞，为单细胞高通量分选奠定基础，更好地满足不同单细胞分选的研究。

研究背景

图一、形状各异的微生物

自然界中的微生物，由于基因、生活环境差异，形态各异、大小不一，亦执行着不同的功能。通过显微成像手段我们可以清晰地观察到形态各异的微生物，在赞叹大自然鬼斧神工、感叹生命之美时，如何在单细胞水平上得到这些微生物，从而进行功能性研究呢？现有的单细胞分选技术（显微切割、流式分选、微流控等）在样本种类、样本大小等方面多有限制，对分选复杂形态微生物样本效果并不显著。

图文导读

1. 光束整形-激光诱导向前转移技术

图二、光束整形-激光诱导向前转移技术（BS-LIFT）示意

如图二所示，通过光束整形技术将激光整形成与微生物形状相一致的光斑，在多个光斑共同作用产生的推动力作用下，分离出想要的复杂形态微生物单细胞。实验装置图如下，通过在光束整形器件上加载相位图，即可在样本焦平面生成对应光斑。

图三、BS-LIFT装置图

2. 图像识别弹射分选流程

具体弹射分选过程如图四所示，通过显微成像装置获得图像后，通过识别算法识别出目标微生物。并计算弹射光斑位置，根据目标光斑位置利用相位恢复算法反推出所需相位图，将计算得到的相位图加载到光束整形元件中，即可在焦平面得到想要的光斑形状，触发分选即可实现复杂形状微生物的“多光斑同时弹射分选”。

图四、BS-LIFT弹射分选过程示意

3. 不同样本的实验结果

对于成像背景“清晰干净”的样本，可通过图像识别进行弹射分选，图五所示为同时弹射7个酵母菌（第一行），弹射乳酸杆菌（第二行），弹射鱼腥蓝藻（第三行）。图六所示为根据微生物大小将酵母与大肠杆菌分别弹射分离。

图五、图像识别弹射分选不同样本

图六、图像识别分选不同大小微生物,Bar:10μm

4. 用户定义模式

对于背景“粗糙”的样本，在图像识别困难的情况下，通过用户更加自由灵活的点选目标光斑弹射位置，来实现弹射分选，如图七所示，用户定义弹射位置实现了对鞭毛虫的弹射分选。

图七、用户定义弹射光斑位置，Bar:10μm

结论

该研究将光束整形技术与激光诱导向前转移技术相结合，成功实现了对复杂形状微生物的弹射分选，可对500nm-100μm大小范围的微生物样本进行分离，亦可同时分选多个单细胞，为高通量分选奠定基础，扩展了激光诱导向前转移弹射分选的应用范围，为更多单细胞分选研究提供有力工具。

原文链接：

Peng Liang, Lindong Shang, Yuntong Wang, Martin J. Booth, and Bei Li, "Laser induced forward transfer isolating complex-shaped cell by beam shaping," Biomed. Opt. Express 12, 7024-7032 (2021)

https://www.osapublishing.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-12-11-7024&id=461785

PRECI SCS单细胞分选仪具有独特的可视化分选功能，所见即所得，精准实现目标细胞分离。采用独特的激光与物质相互作用原理，对于复杂生物样本中形态各异的细胞，能够在非标记状态下进行分离。适用范围广，对于亚微米级的单个微生物细胞也可分离。可与形态、荧光、拉曼光谱等多种细胞识别技术结合，应对不同应用场景。全自动操作，具有单细胞图像智能识别、一键自动分选、全自动细胞获取等功能。为单细胞测序、未培养微生物开发、工程细胞筛选、细胞图谱绘制等研究提供完美解决方案，助力前沿科学研究。

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