光学显微镜的技术范例(3篇)

光学显微镜的技术范文

关键词：激光扫描共聚焦显微镜；蔡司LSM780；蔡司LSM7Live

引言

作为近代最先进的细胞生物医学分析仪器之一，激光扫描共聚焦显微镜（Confocallaserscanningmicroscope，CLSM）区别于普通显微镜之处就在于针孔（Pinhole）的添加，激发光通过透镜聚焦到被观测样品上，如果样品恰在焦平面上，那么反射光通过原透镜应当汇聚回到光源，共聚焦显微镜在反射光的光路中加上了一块半反半透镜，将已经通过透镜的反射光折向其它方向，在其焦点处放置一个针孔，收集来自焦点处的发射荧光，这也就是共聚焦的原理[1-2]。针孔限制仪器在样品表面的聚焦深度，阻挡非焦平面光线，并有效防止杂质信号产生的背景噪音干扰[3-4]，因此激光扫描共聚焦显微镜具有较高的分辨力，大约是普通光学显微镜三倍。近年来随着各种荧光染料、荧光蛋白，精密光学技术和元件的出现，激光扫描共聚焦显微镜在分子细胞生物学及其医学领域的应用越来越广泛[4-8]，蔡司公司也在不断适应市场和科研的需求，十几年间不断推出ZeissLSM510、510Meta、700、3通道的710、34通道的710、780、7Live等逐步完善的激光共聚焦型号，华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室在2013年5月购置了一台ZeissLSM7DUO双共聚焦系统，它整合了ZeissLSM780和7Live，是目前华南地区配置最高的单光子激光共聚焦系统。

ZeissLSCM7DUO的配置：

ZeissLSM7DUO是一款双共聚焦系统，包括ZeissLSM780和ZeissLSM7Live两套扫描系统。双系统共用一台计算机和显微镜，但每套系统包含各自的专用激光器，扫描振镜单元、共聚焦成像检测器、共聚焦针孔及共聚焦光路等，两套共聚焦成像系统高度整合，可各自独立成像，也可同时工作。

双系统共用一台计算机和显微镜。ZeissLSM7DUO双系统共用全自动研究级倒置显微镜，电控物镜转换、物镜升降、自动对焦、荧光滤片转换、光路切换；电动聚光镜，电动照明光轴，电动DIC起偏、检偏、物镜同步转换，电动调节透射光和荧光的孔径光阑和视场光缆；电控前面、底面分光口和前分光出口，三级分光模式，可同时安装六个M27物镜转盘及六块荧光滤片装盘；提供明场、DIC、相差、荧光观察；所有硬件可以通过三种方式控制，TFT触摸屏，软件操作系统和手动控制；目前物镜配置有5×、10×、20×、40×空气镜，63×水镜、100×油镜；荧光滤片配置有：DAPI（EX365；EM445/50）、CFP（EX436/20；EM480450）、GFP（EX470/40；EM525/50）、Rhodamin（EX546/12；EM575-640）、Cy5（EX575-625；EM660-710）；另外配置有活细胞培养装置，提供合适的温度，湿度二氧化碳控制，为长时间监测活细胞的生理动态变化提供保证。

ZeissLSCM780是一款超高灵敏度共聚焦系统，检测器物理通道数三十五个，其中透射光检测通道一个，光谱型荧光共聚焦检测通道三十四个，包括三十二个阵列式磷砷化镓超高灵敏度GaAsP探测器，两个大靶面PMT。光谱扫描范围370-760nm，可一次性进行全光谱检测，最高可同时检测十种荧光探针，实现实时光谱解串扰；点扫描，扫描频率可达4000线/秒，扫描速度512*512≥8H，每个通道的扫描图像均可同时达到≥6144*6144的扫描分辨率；目前此多通道光谱扫描头配有：偏紫外二极管固体激光器405nm，功率≥30mW，蓝激光多线氩激光器Arlaser458/488/514nm，功率≥25mW，HeNe激光器543nm，功率≥1mW，HeNe激光器594nm，功率≥2mW，HeNe激光器，633nm；功率≥5mW。

ZeissLSCM7Live是一套高速激光共聚焦系统。7Live通过内置的激光光束变形器将激光器发射出来的激光光束由原来的圆柱形变形为横线形，以横线形激光扫描标本，线形代替点形无疑极大提高扫描速度，另外配置的两个高速共聚焦监测通道可同时使用，线扫描速度可达60000线/秒，面扫描速度可达120幅/秒（512？鄢512），毫秒两级的图像扫描可实现活细胞在秒量级的动态监测，有效捕捉目前较多使用的高分辨率激光扫描共聚焦显微镜无法捕捉到的生理动态；图像分辨率可达1536*1536，高速Z轴移动步进马达，运行范围250微米，Z轴精度10nm；目前此高速扫描头配有：偏紫外二极管固体激光器405nm，功率≥50mW，蓝线二极管固体激光器488nm，功率≥100mW，绿线二极管固体激光器532nm，功率≥75mW，红激光固体激光器635nm，功率≥30mW。

参考文献

[1]袁兰.激光扫描共聚焦显微镜技术教程[M].北京：北京大学医学出版社，2004.

[2]李楠，尹岭，苏振伦.激光扫描共聚焦显微术[M].北京：人民军医出版社，1997.

[3]王春梅，黄晓峰，杨家骥，等.激光扫描共聚焦显微镜技术[M].西安：第四军医大学出版社，2004.

[4]任小则，送峰.激光扫描共聚焦显微镜的使用及其在医学研究领域中的应用[J].中国科技信息，2009，11：237-238.

[5]WilsonT，andSheppardCJR.TheoryandPracticeofScanningOpticalMicroscopy[M]，NewYork：AcademicPress，1984.

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[7]TsienRY.Thegreenfluorescentprotein[J].Annu.Rev.Biochem.，1998，67：509-544.

光学显微镜的技术范文

关键词显微镜科学教育实验教学

中图分类号G633.91文献标识码B

综观中小学理科课程可知，显微镜原理与操作的教学地位及其特殊，具有不可替代的教育价值，主要体现在以下三个方面。

1仪器操作教学的首选载体

这是显微镜教学的本体价值。由于价格低廉、结构简单、使用安全、维护简便等原因，在中小学阶段，显微镜是目前唯一的、能够做到学生人手一台的实验仪器。其他仪器，如生物学科的PCR仪、恒温培养箱等，虽然技术先进，却价格不菲，一般每个实验室只配备1～2台(甚至不配备)，无法让每一名学生都得到充分的练习操作的机会，或如化学当中的各种实验装置，虽然价格低廉，却都是由各种玻璃器皿组装而成，不属于实验仪器的范畴、过于简单，教学的有效性大打折扣。更毋需提及电泳仪、灭菌器、离心机等存在安全隐患的实验仪器，无论教师还是学生，大多对其望而却步。在目前这样一个“教学载体一元化”的情况下，教师就必须充分利用显微镜教学的时间，不但要把显微镜本身的操作技巧教好、教会，还要深刻挖掘其教育内涵，站在概念教学的高度，将显微镜教学抽象到普遍的、仪器使用技术的层面，让学生在学会使用显微镜以后，对于其他的、未使用过的仪器，也能够在很短的时间内熟悉、熟练。亦即，显微镜教学不但要完成技术素养的任务，还要完成科学素养的任务；在让学生“学会使用”的同时，还要“学会学习”。

就显微镜部件的材质而言，显微镜可以分为光学部分(各种透镜、反射镜)和机械部分(各操作部位)两大部分；而就功能而言，又可分为观察、调节和辅助三个部分。故可用表1来展示融合了以上两种分类依据的、显微镜各个部件的分类。

在中学阶段，学生不需要深入透彻地了解仪器的细部构造，但将各部分视为“黑箱”，模块化地了解某种仪器以至任何事物的概貌，确实是一种学习能力与习惯的体现。这样一种由具体事实中提取概念，再以概念为指导认识新事物的过程，也是学生受用终身的学习方法。

2科学研究方法的重要代表。

显微镜是人们观察和认识微观世界的重要工具，这一点在科学、尤其在生物学当中尤为突出。随着人们认识世界的水平逐渐深入，肉眼的、直观的感知，已经体现出明显的缺点。出于对事物本质组成及属性认知的渴望，人们研究并制造了显微镜。

在小学阶段，显微镜大多还是被用来观察“细微”的事物，如花粉粒、蝴蝶翅膀、番茄果肉等。这些观察大多还是为了激发学生认识自然、认识微观世界的兴趣，并且“细微”的定义也并不准确，还没有以细胞、组织、器官等严格的生物尺度划分来界定观察的对象。但是，从酸奶为什么会酸、人为什么会感冒、饭前便后为什么要洗手等一系列的小故事当中，学生已经能够建立这样一个概念：即显微镜是观察微观世界的重要工具，人类的生存与发展离不开它。

整个中学阶段，这样的小故事、以及由此建构的关于显微镜技术重要性的概念比比皆是、不断深化，所不同的只是更加规范化、更加深入。如初中阶段，开始观察洋葱表皮、人体口腔上皮细胞，开始观察小肠绒毛以及金鱼尾部的毛细血管。这些都不是简单的观察，而是对细胞、组织、器官乃至个体的、生命不同研究层次的认识。又如，在高中阶段开始观察DNA及RNA的分布，观察叶绿体、线粒体的形态。这不但将显微镜观察深入到了亚细胞水平，而且这类实验有一个共性：对样品的处理。亦即，认识微观世界，只有显微镜是不够的，还要对样品进行特殊的处理，如染色、烘干等。在这一点上，其实高中阶段的显微镜技术与高校中的电子显微镜、荧光显微镜的原理是相通的，都是观察介质(光线或粒子流)与样品本身相互协调的问题。只有将这样的“相通之处”指出来，学生才可能整体把握人类的技术设计思想，从而产生创造力，显微镜作为科学教育的载体才有现实意义。然而，这样一个开启创造力源泉、领悟科学技术实质的契机，并没有被大多数教师所珍惜。其道理不言而喻：教师们普遍关注显微镜所显示的实验现象――现实一些说，就是教材上的、用于考试的知识。对于知识背后的思想，尚待挖掘。

3学科知识融合的典型范例

显微镜应用于生物，却是依靠基础的数理思想设计的。在中学阶段，生物课上讲显微镜，物理课上也讲显微镜，那么二者的教育教学价值有何异同?可否相辅相成?最简单地，能不能在物理课上偏重于显微镜的成像原理(几何光学原理)，而在生物课上偏重于应用(显微观察)?这样的问题越来越凸现，无论哪个学科的教师，都无法回避。因为在科学教育理念逐渐深入人心的今天，分科教学即使仍将长期存在，但每一学科的教师也不能指望单一学科能解决其教学中的所有问题。学生越来越“难对付”――在中学阶段，他们既懂生物，又懂物理――在一定的层次上，他们是全才，而教师是偏才。为什么向上推动载玻片，在视野中看到的却是样品向下移动?作为生物教师，只知道现象是不够的，如果不能用几何光学的成像原理给以解释，很容易就会被学生难倒。像这样学科交叉与融合的例子比比皆是。如眼的构造(生物与物理)、蛋白质(生物与化学)、环境保护(生物、化学、地理、物理)。最大程度地激发学生们的科学潜质是各个学科综合作用的结果，而学生将来解决科研、生产生活中的实际问题，更要依靠综合科学素养。显而易见，科学教育是学生科学素养发展的内在要求，但首先是对教师专业发展的时代性挑战。

但学科融合却远远不止知识的融合。比如通用技术，寻找技术设计的理想载体是目前通用技术教师所关注的问题。教科书上的自行车、板凳，或过于复杂、或过于简单，尚不完全适合于中学教学。笔者认为，在目前通用技术课程发展的“初级阶段”，既然没有找到技术设计的最佳载体，也就不必强求――不妨允许载体的“多元化”――从其他学科当中寻找一系列的载体。

比如，可以设计造型美观小巧、带开关的移动灯――单从物理或技术设计的角度上看，这个“工程”过于简单，没有任何教学价值――但如果考虑到这个移动灯是为了代替中小学显微镜中自然光源(即双面反光镜)而设计的、简易便携的电光源，意义就大不相同了。这样的一个简单改进，能够大大方便显微镜教学，甚至提高显微镜的档次，实为技术设计应用于具体学科领域的典范。由此还可以想见：能否将单目镜改为双目镜?能否加载一个可调节焦距的光学转接口，从而用自己的数码相机、手机就能进行显微拍摄?积少成多，就形成了一个“教学显微镜升级工具包”。单目、自然光源的显微镜，通过技术设计，变成了双目、电光源的高档显微镜，教学价值之大，成就感之大，不言而喻。

光学显微镜的技术范文篇3

1自聚焦微透镜技术

在基于自聚焦微透镜的内窥镜诊疗系统中。自聚焦微透镜性能决定了超细内窥镜镜体的外径尺寸和临床使用时的图像质量，其制作工艺包括玻璃配料，熔炼、浇注、退火、光学冷加工、磨抛成圆柱棒、拉丝、离子交换、镀膜等过程。参数离散性大，造成产品成品率低，一致性难以保证，无法保证批量生产的产品质量，因此提高批量制作的自聚焦透镜光学性能一致性的方法和工艺极为关键。另外利用等离子处理、准分子激光处理等技术在自聚焦纤维镜组件保护体的表面形成微细结构，开发自聚焦纤维镜组件保护体的表面处理技术，可以提高内窥镜使用过程中的视场清晰度。自聚焦微透镜又名变折射率透镜，具有数值孔径大，可大于0.6，焦距短、直径小、圆柱形、聚焦光斑小，成像分辨率高等特点。自聚焦透镜的主要参数为：中心折射率、径向折射率分布常数、周期、外径、长度等，确保当观察物在标准距离时，物的像正好落在其后端面上，并兼顾视场角，系统景深等，满足设计要求的工作范围和分辨率，保证成像效果和质量。

自聚焦透镜与传统光学透镜比较，它不但具备了普通光学透镜的所有特性，而且还具备了自己独有的特点：自聚微焦透镜的两个端面是平面，而不是球面；其它的光学性能与透镜的长度有关。自聚焦透镜可以实现传光、传像器械通道并为一个光学器械通道的设计，传光光纤均匀排列在传像系统周围，镜体外径进一步缩小。这些特性特别适合于解决医用软体内窥镜的技术难点――微型化。

2传光传像束设计技术

2.1传光束

用作光纤传光束的光纤一般为采用多组份光学玻璃的阶跃型光纤，其单丝直径约在3μm～30μm之间。光线在光纤中传输机理为当光线由光密介质射入光疏介质的光滑分界面时，且入射角大于临界角，则入射光线在两种介质的分界面上就会发生全反射。当光纤的端面与光纤的轴线垂直，且端面的平面性和垂直性(即光纤端面垂直度)良好时，入射在光纤端面且小于其数值孔径的光线就会在光纤内经多次全反射后又出射端面射出，光纤的数值孔径表示光纤接收光能的多少。当光纤输入端面入射的为斜平行光束或圆锥状会聚光束时，在光纤直径均匀且保持直圆柱条件下，其输出端面出射的将为对称的环状平行光束或圆锥发散光束。

2.2传像束

高分辨率光纤传像束是一种高科技的光学产品，为了获得高分辨率，不失真的图像，对传像束的光谱吸收、单丝直径、几何排列对应关系要求极为严格，其功能是将被观察的腔内形态，经过自聚焦微透镜成像到传像束的前端面(该端面与自聚焦透镜的后端面紧紧相接)，该像经传像束传到其后端面。光纤传像束最大的优点就是可以弯曲而不影响传像质量。光纤传像束之所以能传递图像是因为组成传像束的每一根光纤都能传递一个像元，当传像束的光纤成规则的相关排列时，输出端面的光纤成一一对应关系时，输入端面的图像由成千上万根纤细的光纤单元(像元)组成的，投射在传像光纤入射端面上的图像被分解成有序排列的离散的图像单元(也就是采样)，并被传像光纤传输到后端面上。就传像束中的单根光纤而言。其传光特性与传光束中的光纤相同，除要求有一定的光能透过率，更要求有良好的光谱透过率和光学绝缘性，以保证获得优良彩色图像，使每根光学纤维等独立的传光。而不受临近其它光学纤维的影响。此外还要求传像束应具有良好的图像分辨率。光纤传像束具有离散抽样成像的特点。因此在评价光纤传像束质量时，需要做不同的分析。分辨率和MTF从对比度调制的角度反映了光纤传像束的成像质量-数值孔径角，填充系数和透过率则影响光纤传像束传输光能量的大小，以及最终的像面亮度；断丝率直接决定在传输窗口中有效像元传输的数量，以及光纤传像束产品的登记-集团断丝率将会严重损失目标的细节信息，并将对光纤传像系统像质优化的质量产生严重影响。所以，通常选择以上几个性能参数来综合评价光纤传像束得传像质量。

传像光纤的像元越细，其分辨率越高。因此，应选择单位面积上像元数多的传像光纤。另外，由于工艺方面的原因，相邻像元之间存在着一定程度的光线泄漏，即串像现象，这会影响传像质量。所以，要选择串像特性小的传像光纤。

2.3目镜转接系统

由传像光纤传出的图像，成像在传像束的后端面上。内窥镜CCD的工作需一个透镜放大成像到CCD的光敏面才能进行光电转换。该透镜要求分辨率高，像差小。考虑到内窥镜整体像质较好的要求，需要整体的像差小。而自聚焦透镜产生的是负像差，因此在目镜转接系统中我们采用正双胶合透镜来纠正自聚焦透镜的负像差，而且保证自身不会带来更大的像差。考虑到传像束像面上的像由若干个分立的像元构成，传像束端面的放大倍数不宣过大，一般不超过20倍。为了使此转接系统的长度适中，可增加一个平凸透镜，在保证像质的情况下，缩短转接系统的距离。CCD的选择主要考虑指标是分辨率和灵敏度，应选择高分辨率，高信噪比，低照度的彩色CCD。

2.4光源

内窥镜光源按选用发光器件的不同可以分成两大类，一类以热辐射电光源如卤钨灯为发光器件，另一类则以气体放电光源如氙灯为发光器件。这两类光源各有自己的优缺点和适用领域，在工作距离短的医用内窥镜如关节镜尿道镜，选用物美价廉的卤钨灯冷光源便可以满足使用方面的要求，而在微创伤外科使用的腹腔镜，因为其工作距离较长，应选用光强度较高的金属卤化物或氙灯冷光源。所以内窥镜光源产品在设计生产时，应考虑到产品临床应用范围。内窥镜光源除了应具有较高的发光效率、适宜的发光强度和不高的照明温度之外，还应具有良好的显色性。经滤光装置处理过的光线为冷光，从而可以避免灼伤粘膜，使镜体可以接近肌肉组织，并保证安全性将某光源下各色物体的颜色与标准

光源下各色物体的颜色相比，以其相符程度来决定该光源的显色性，以显色指数来度量，100为最高。可采用亮度可调节的双卤素灯光源，以防止灯泡故障而停止手术。

2.5专用图像处理系统软件

在能清晰观察到体内状况的时候，将实际的情形纪录并保存，同时还可形成影像文件，通过网络传送。所以需要专门开发能够将图像资料转换成数字文件的图像数字处理软件，实现病例资料图片可视化、系统化、智能化、网络化。软件应具有以下特点：(1)显示：可在计算机显示器上同步显示动态图像，记录每一步操作的过程，控制操作过程实现轨迹再现，并进行电影回放；(2)采集：具有高分辨率实时视频，方便医生计算机中观察手术状况，可通过鼠标，键盘，脚踏开关多种方式的图像采集，应保证不影响实时图像的流畅性；支持矩形框、椭圆形框、圆弧角矩形框区域采集图像-能够通过调节图像对比度、色温等让图像更适合医生习惯，可随时采集整个操作过程中的任一幅图像，并可同时显示采集到的多幅图像，(3)增强处理：对采集的图像进行水平翻转、垂直翻转，灰度显示，并可对采集的任一幅图像可进行负片、边界、平滑、清晰化等处理，方便观察，(4)缩放处理：可对采集到的任一幅图像的任意大小的区域进行缩放处理，便于观察；(5)文字标准：可在采集到的图像上任意部位进行文字标注，且文字大小可以改变；(6)测量：可在采集到的图像上直接进行长度、周长、面积的测量；(7)病人信息管理：可以添加、编辑、删除、单个条件或多条件组合查询病人信息，并可进行报告统计，按照日期、检查医师、病人性别等多种因素计算已做过的手术信息，在对报告编制中可直接导入多种预定义好的报告模板，医生只需输入最少几个字便可快速完成报告，同时多条件的组合查询方式方便医务人员统计病情信息。(8)打印：可根据需要打印采集到的一幅或几幅图像提供数据进行分析、研究，(9)远程图像传输：通过网络可实现实时远程图像传输。