Mikroskopi Hiperspektral: Imej & Analisis dalam Satu

Pengenalan
Pengimejan mikroskopik merupakan alat asas yang tidak dapat dipisahkan dalam bidang penyelidikan seperti biologi sel, sains bahan, farmaseutikal, hematologi, dan imunologi perubatan. Namun, sistem mikroskopi konvensional sering memisahkan proses pengimejan, pemprosesan data, dan analisis kuantitatif kepada peringkat yang berasingan, sehingga penyelidik terpaksa bergantung kepada pelbagai perisian dan aliran kerja untuk menyelesaikan sesuatu kajian secara menyeluruh. Bagi menangani cabaran ini, Hong Kong NTI Limited telah membangunkan "Sistem Mikroskopik Hiperspektral Terkini" (Novel Hyperspectral Microsystem) yang direka khas untuk menggabungkan pengimejan, pemprosesan, dan analisis ke dalam satu sistem bersepadu, sambil memenuhi keperluan pengimejan mikroskopik hiperspektral bertaraf penyelidikan (research-grade).

Artikel ini bertujuan memberikan gambaran teknikal secara menyeluruh tentang sistem tersebut, merangkumi seni bina perkakasan, keupayaan pengimejan, platform perisian, serta contoh aplikasi sebenar dalam pelbagai bidang.

Seni Bina Teknikal dan Komponen Utama
1. Resolusi Optik dan Pengimejan Tiga Dimensi
Sistem ini mencapai resolusi optik sebanyak 240 nm pada satah xy dan 600 nm pada paksi z, menjadikannya sesuai untuk mengkaji struktur mikroskopik yang halus. Sistem ini juga berkeupayaan menghapuskan cahaya lencongan (stray light) yang berasal dari luar satah fokus dengan berkesan, serta menggunakan teknik penindanan berbilang lapisan (multi-layer stacking) untuk membina imej tiga dimensi beresolusi tinggi.

2. Sumber Pencahayaan Pendarfluor LED Berkuasa Tinggi dan Berjangka Hayat Panjang
Pencahayaan disediakan oleh sumber cahaya pendarfluor LED bebas empat panjang gelombang (four-wavelength independent LED) yang mempunyai kecerahan tinggi dan jangka hayat operasi yang panjang. Sumber ini menyokong pertukaran panjang gelombang berkelajuan tinggi, yang mengurangkan fenomena photobleaching pada sampel secara ketara. Gandingan gentian optik (fiber-optic coupling) turut memastikan pencahayaan yang sekata di seluruh medan pandangan (field of view).

3. Kamera sCMOS Bertaraf Penyelidikan
Teras kepada keupayaan pengimejan sistem ini ialah kamera sCMOS bertaraf penyelidikan jenis monokrom back-illuminated, dengan spesifikasi seperti berikut:

• Saiz sensor: 1.2 inci; saiz piksel: 6.5 × 6.5 μm
• Kecekapan kuantum (quantum efficiency): 95% @ 600 nm
• Kadar bingkai (frame rate): sehingga 100 fps @ resolusi 2048 × 2048

Spesifikasi ini membolehkan sistem menangkap imej beresolusi tinggi dengan sensitiviti tinggi pada kelajuan yang pantas — satu keupayaan yang penting untuk mengkaji fenomena biologi yang berlaku secara pantas dan dinamik hampir masa nyata.

4. Platform Perisian Bertaraf Penyelidikan (SRF)
Sistem ini dilengkapi dengan platform perisian khusus yang dikenali sebagai SRF, yang menggabungkan tiga bidang fungsi utama:

1. Perolehan Imej (Image Acquisition) — Perolehan lima dimensi (xyzλt) merangkumi koordinat spatial (x, y, z), panjang gelombang (λ), dan masa (t), dengan kawalan aliran kerja automatik sepenuhnya dan pelbagai dimensi.
2. Pemprosesan Imej (Image Processing) — Pembinaan semula dan paparan 3D, pemprosesan dan pautan ko-lokalisasi (co-localization), pelarasan kecerahan/kontras/ambang (threshold), pembalikan dan cerminan imej, penyingkiran latar belakang, penjanaan imej dinamik (time-lapse), pemprosesan tindanan (stack), dan pemprosesan kawasan berkepentingan (ROI).
3. Analisis (Analysis) — Analisis parameter kuantitatif seperti jarak, perimeter, luas, kebulatan, serta nilai skala kelabu maksimum dan minimum; analisis ko-lokalisasi; pengiraan sel; pengiraan zarah; penjejakan protein; analisis subpopulasi; dan analisis kitaran sel (cell cycle).

Kajian Kes Aplikasi Praktikal
Berdasarkan dokumentasi produk, sistem ini telah diaplikasikan dalam pelbagai kajian kes, yang menggambarkan fleksibiliti teknologi pengimejan mikroskopik hiperspektral merentasi pelbagai disiplin:

• Interaksi antara bahan nano dan sel mikrob, menggunakan zarah nano titanium dioksida (TiO₂) sebagai contoh kajian.

• Pengesanan zarah nano dalam kultur sel, menggunakan zarah nano emas (Au).

• Pengesanan zarah nano oksida besi dalam kultur sel, bersama pengenalpastian visual dan spektral zarah nano serium dioksida (CeO₂) dalam tisu.

• Pengimejan dan pencirian in vivo bahan nano logam yang pelbagai dalam organisma berbilang sel.

• Pengimejan dan pengenalpastian bahan nano logam yang pelbagai dalam sampel persekitaran.

• Analisis spatial dan spektral bahan nano perovskit.

• Analisis spektrum ciri fabrik (tekstil) di bawah kanta objektif 50×.

• Analisis komposisi mineral, termasuk lengkung pantulan spektral bagi mineral seperti datolit dan kalsium borosilikat.

  
Contoh-contoh ini menunjukkan bahawa sistem ini boleh diaplikasikan bukan sahaja dalam penyelidikan biologi dan nanoteknologi, tetapi juga dalam sains bahan, sains persekitaran, dan geologi — dengan memanfaatkan kekuatan utamanya iaitu penggabungan imej-spektrum (image–spectral integration) merentasi julat cahaya boleh nampak hingga inframerah dekat (400–1000 nm).

Kesimpulan

Sistem Mikroskopik Hiperspektral Terkini yang dibincangkan dalam artikel ini merupakan sistem pengimejan mikroskopik hiperspektral julat cahaya boleh nampak hingga inframerah dekat (400–1000 nm), yang dibina berasaskan tiga ciri utama: (1) penggabungan imej-spektrum bagi menyokong masa depan digital yang bijak, (2) pengimejan tiga dimensi beresolusi skala nano, dan (3) kedudukannya sebagai sebahagian daripada siri produk yang direka untuk menyokong inovasi saintifik.

Dengan menggabungkan perkakasan optik berprestasi tinggi, pencahayaan pendarfluor berbilang panjang gelombang, kamera sCMOS bertaraf penyelidikan, serta platform perisian menyeluruh daripada peringkat perolehan sehingga analisis, sistem ini berpotensi besar sebagai instrumen sokongan untuk penyelidikan merentas disiplin yang memerlukan resolusi spatial tinggi serta maklumat spektral secara serentak.