數(shù)字全息技術在鹵蟲形態(tài)觀測方面的應用

潘若凡 鐘娟 殷悅 李倩 陳嘉偉

(中國海洋大學工程學院機電工程系,山東青島 266100)

數(shù)字全息技術在鹵蟲形態(tài)觀測方面的應用

潘若凡 鐘娟 殷悅 李倩 陳嘉偉

(中國海洋大學工程學院機電工程系,山東青島 266100)

本文以數(shù)字全息技術為支撐,將該平臺用于實現(xiàn)和發(fā)展浮游動物形態(tài)的測量和記錄。由于對浮游動物的研究中,通常采取解剖、制成玻片的形式進行觀察,并以手工繪圖的方式進行生物體形態(tài)的記錄,工作復雜而繁瑣。考慮實驗室研究對更優(yōu)化觀測方法的迫切需求,本研究工作以鹵蟲為目標生物,成功記錄了其從休眠卵到成體的形態(tài)。所建立的數(shù)字全息測量系統(tǒng)實現(xiàn)了對鹵蟲從200μm-8mm不同體長階段的記錄和全息片清晰再現(xiàn),為該尺度范圍浮游動物的實時觀測提供了參考方法和借鑒技術。

數(shù)字全息 鹵蟲 孵化 成體

1 引言

“全息”是指物體發(fā)出的光波的全部信息:既包括振幅或強度,也包括相位。而全息技術最早由英國科學家Dennis Gabor[1]在1948年提出,并隨著激光的出現(xiàn)、計算機技術的提高以及高分辨率CCD (電荷耦合器件)的而不斷發(fā)展進步。數(shù)字全息的概念則最早在1967年被Goodman提出[2],作為一種光電混合的系統(tǒng),數(shù)字全息術傳統(tǒng)全息技術有曝光時間短、無需光學元件聚焦、方便靈活等優(yōu)點。較之傳統(tǒng)的光學全息技術中諸如銀鹽全息干板、光刻膠等高分辨率的記錄介質,數(shù)字全息技術以CCD取代干板來完成全息圖的記錄。相應地,整個過程省去了曝光、顯定影等一系列繁瑣的工作,實現(xiàn)了實現(xiàn)實時記錄及再現(xiàn)。同時,由于其采用向計算機直接輸入的方式使得圖像能夠長期存儲,方便了數(shù)字化處理和再現(xiàn)過程的進行。另外,還可以通過后期優(yōu)化得到更高質量的記錄物體再現(xiàn)像。

最后,由于該技術可以實現(xiàn)振幅和相位信息的定量化,因而可用于多種測量,在微小顆粒的三維空間分布和粒徑分布的測量[3]、細胞形態(tài)結構研究[4]、生物樣品活體細胞的觀察[5]、物件表面粗糙度檢測[6]等方向擁有較廣泛的應用前景。

本文中將數(shù)字全息技術應用于鹵蟲的孵化觀測,通過記錄不同階段幼蟲及成體,實現(xiàn)了從幾百微米級到幾毫米活體生物個體的全息圖捕獲,為其在生物方面的發(fā)展應用提供了參考借鑒的觀測方法。

圖1 數(shù)字全息圖記錄及再現(xiàn)示意圖

圖2 同軸全息光路示意圖

2 數(shù)字全息技術原理及測量系統(tǒng)

2.1 數(shù)字全息技術基本原理

數(shù)字全息技術是利用光的干涉和衍射原理來實現(xiàn)物體圖像記錄和真實三維圖像再現(xiàn)的,簡單說其成像過程分為兩步:干涉記錄,衍射再現(xiàn),見圖1。

(1)通過CCD記錄物光波和參考光波疊加形成的干涉條紋,得到數(shù)字全息圖。

圖3 數(shù)字全息測量系統(tǒng)圖

圖4 全息圖與不同軟件處理所得在焦像

圖5 鹵蟲孵化過程中的幾個特征階段

圖6 孵化后4-12天的鹵蟲幼蟲

圖7 孵化后22天的鹵蟲成體(左圖為雌性;右圖為雄性)

(2)根據(jù)衍射原理,通過數(shù)值計算方法對光學衍射過程進行模擬,以頻率和傳輸方向與參考光波一致的激光束照射全息圖實現(xiàn)數(shù)字全息圖的再現(xiàn)過程。

2.2 數(shù)字全息測量系統(tǒng)

數(shù)字全息所能記錄的物體衍射空間頻率與CCD尺寸和空間分辨率成正比[7]。而由于CCD分辨率遠低于傳統(tǒng)的感光記錄介質,限制了參考光波與物光波的記錄范圍,因此測量中常采用同軸光路裝置[8],見圖2。此外,同軸方法的優(yōu)點還體現(xiàn)在以下兩個方面:由于采用物光波和參考光波同軸照射,無需再附加參照光路;根據(jù)米氏散射理論,在激光能量有限的情況下,粒子前向散射光強最強,易于獲得較高的信噪比[9]。

圖3為本研究中用于觀測鹵蟲生長的數(shù)字全息測量系統(tǒng)圖。實驗開始時所需觀測的鹵蟲休眠卵,其直徑大小約為200μm。由根據(jù)奈奎斯特采樣定理可以知道,采樣頻率需至少為信號頻率的兩倍,則本實驗中測量系統(tǒng)需滿足不小于2pixel/200μm,即不大于100μ m/pixel。經測量換算可知現(xiàn)有系統(tǒng)的測量精度為8.84μm/pixel,完全可以滿足上述要求。

3 鹵蟲生命周期觀測實驗

3.1 材料準備

實驗儀器設備:一次性塑料滴管、燒杯、培養(yǎng)皿、石英比色皿、玻璃缸、放大鏡、微量取樣器、孵化器、溫度計;充氧機、恒溫水浴加熱器、鹽度計、PH計、導電率測試儀、照明臺燈等。

實驗用海水:取至石老人海水浴場的海水首先經砂芯漏斗過濾裝置過濾,其次通過高溫煮沸,冷卻后密封備用。測得其鹽度為35‰,比重為1.026,PH值為8.0,導電率為1734μs/cm。

餌料的培養(yǎng):于中國科學院海洋研究所購得鹽藻,之后采用f/ 2培養(yǎng)基,與上述處理過的海水配制成培養(yǎng)液,進行藻類的實驗室培養(yǎng)。期間,通過恒溫水浴加熱的方式將培養(yǎng)溫度控制在22℃左右,以照度為3000lx的光源照明,并控制明暗時間比為12h:l2h。

鹵蟲休眠卵的獲得:經商業(yè)途徑購買產自美國鹽湖的鹵蟲休眠卵,置于實驗室密封干燥陰涼環(huán)境保存,待實驗時按需取用。

3.2 鹵蟲的孵化和培養(yǎng)

置于盛有實驗用海水的石英比色皿中,通過恒溫水浴加熱將溫度控制在26±1℃,并在整個孵化過程中持續(xù)照明和用微量泵進行持續(xù)的充氧。

孵化后,飼以鹽藻并保持與孵化時相同的溫度、光照及充氧條件。只是在用于觀測記錄時,從水浴玻璃缸中取出比色皿,置于數(shù)字全息測量系統(tǒng)的可升降平臺上,之后放回原位繼續(xù)培養(yǎng)。實驗室培養(yǎng)3周后,部分個體長成可明顯區(qū)別開來的雌雄成體。

3.3 全息圖的觀測記錄及再現(xiàn)

孵化階段,每2小時進行一次記錄直至鹵蟲脫離卵殼。之后正常飼養(yǎng)過程中,每4天進行一次記錄,直至個體成熟。

實驗觀測中為了得到生物體的更多細節(jié)信息,將所記錄的數(shù)字全息圖進行計算機圖像再現(xiàn)。圖4為全息圖的原始圖片及分別經過UU和HoloPrix軟件處理后得到的在焦圖像。

4 觀測結果

對各個成長期鹵蟲的觀測記錄并進行數(shù)字全息圖的重現(xiàn),得到在焦像結果如下:

圖5從左至右分別為脫水耐久卵,孵化開始后18小時呈現(xiàn)的降落傘狀,以及24小時后的剛孵化幼蟲,體長約為200μm。

圖6從左到右依次為孵化后4天、8天和12天的幼蟲,體長也從600μm左右增長到了1mm。

孵化后22天的鹵蟲已經長成可以區(qū)別出性別的成體,體長增加到8mm左右,達到了剛孵化時幼蟲體長的40多倍。圖7左右分別雌雄成體,可以看出雌性成體葉狀足最后有育雛囊;而雄性頭部的第二對觸角相較雌性而言,尺寸特別大。

5 總結及展望

本文中將數(shù)字全息技術應用于實驗室鹵蟲的孵化及不同生長發(fā)育階段形態(tài)的觀測,成功記錄了幼蟲至成蟲的全息圖片并通過圖像重建找到清晰的在焦像。另外,鑒于此種方法可以實現(xiàn)活體的動態(tài)觀測,既不會對生物造成傷害又免除了樣品處理及人工判別的一系列繁瑣工作。最后,可以看出,整個過程實現(xiàn)了對生物體從體長200 μm到8mm較大尺度跨越的成功觀測,因而為該范圍內中小型生物的實時觀測提供了方法借鑒,擁有廣闊的應用前景。

[1]Gabor D. Nature,1948,161:777.

[2]Goodman J w,Lawrence R W. Digital image formation from electrically detected hologram.Appl. Phys. Lett. ,1967,11(3): 77-79.

[3]蒲世亮,Denis Lebrun,王勤輝 等.激光數(shù)碼全息測量技術在循環(huán)流化床中的應用．中國機電工程學報,2005,25(15):111-115.

[4]董可平,錢曉凡等.數(shù)字全息顯微術對細胞的研究.光子學報,2007, 27(10):2013-2016.

[5]趙潔,王大勇等.數(shù)字全息顯微鏡術應用于生物樣本相襯成像的實驗研究．中國激光,2010,37(11):2906-2911.

[6]王廣俊．數(shù)值全息技術及其在測量中的應用研究:[博士學位論文].北京:北京工業(yè)大學,2011.

[7]范琦,趙建林,等.改善數(shù)字全息顯微術分辨率的幾種方法.光電子．激光,2005,16(2):226-230.

[8]李志斌,鄭剛,章立新,夏飛.一種去除離焦粒子像的簡便方法.光電工程,2009,36(4):86-91.

[9]申功炘,張永剛,曹曉光,吳堅.數(shù)字全息粒子圖像測速技術(DHPIV)研究進展.力學進展,2007,37(4):563-574.

國家自然科學基金：應用全息圖像技術和模式識別研究橈足類浮游動物攝食行為與海洋物理因子的耦合關系,41376140。海洋流體環(huán)境中的小型海洋浮游生物在壁面邊界層質量傳遞機理研究,51276174。