摘要:激光共聚焦扫描显微镜在普通光镜基础上引入共聚焦装置,该装置能够排除非焦平面及焦平面非焦点光斑信息,大大提高分辨率和图象清晰度。在此基础上,由于计算机及相应的软件技术组合,可以对较厚样品进行连续光学切片及三维重建。目前,激光共聚焦显微镜(LSCM)技术已广泛应用于生物医学领域。本文对LSCM的应用原理、较普通光镜的优点及生物学应用做简单介绍。
激光共聚焦扫描显微镜是随着光学、视频、计算机等技术的迅速发展而诞生的一种高科技产品。其组成除光学显微镜部分之外主要由激光光源、扫描装置、检测器、计算机系统(包括数据采集,处理,转换,应用软件)、图象输出设备、光学装置和共聚焦系统组成。在生物医学等研究领域中发挥重要作用,尤其在研究和分析活细胞结构、分子、离子的实时动态变化过程,组织和细胞的光学连续切片和三维重建等方面,是传统的光学显微镜所望尘莫及的。
一、LSCM的主要组成部分及工作原理:
illuminating pinhole:照明针孔
功能:使激光经过照明针孔后形成点光源,点光源具有光源方向性强、发散小、亮度高、高度的空间和时间相干性以及平面偏振激发等独特的优点。且与detector pinhole(探测器针孔)及焦平面形成共聚焦装置。
beamsplitter:光束分离器
功能:将样品激发荧光与其他非信号光线分开。
Objective:物镜
Focal plane:焦平面
功能:激光点光源照射物体在焦平面处聚焦,激发荧光标记的样本发射荧光,形成焦点光斑。该光斑经过objective,beamsplitter等一系列装置的处理,分别在illuminating pinhole及 detector pinhole两处聚焦。共聚焦的含义由此而来。
detector pinhole:探测器针孔
功能:与beamsplitter作用类似,起到空间滤波器的作用。最大限度的阻碍非聚焦平面散射光和聚焦平面上非焦点斑以外的散射光,以保证探测器针孔所接受到的荧光信号全部来自于样品光斑焦点位置,因此样品上衍射聚集光斑和探测器针孔成像光斑包含相同信息(两点共轭)。
PMT:光电倍增管(探测器)
功能:接受通过针孔的光信号,转变为电信号传输至计算机,在屏幕上出现清晰的整幅焦平面的图象。
激光器:图中未示。共聚焦显微镜技术的发展离不开激光器的飞速发展。我们可以根据研究需要选择不同的激光器。如ArUV(351.364nm),HeCd(442nm),AR(457,488,514nm),ArKr(488,568,647nm)Kr(568nm),HeNe(543nm),HeNe(633nm)等。
多荧光通道:具有多个荧光通道,以实现同时对样品进行多种标记。
经过对LSCM的各组成部分了解之后,其工作原理不难理解。即:点光源照射样品产生的激发光斑被探测器以共扼的形式接收于焦平面,计算机以像点的方式将被探测点显示在计算机屏幕上。为产生一幅完整图象,可通过计算机控制的步动电动机带动显微镜移动,以实现在同一焦平面上的逐点扫描。同样,也可以通过沿Z轴方向逐渐改变焦平面,来完成对样品不同层面的扫描。亦即可对细胞或组织厚片进行类似CT断层扫描的无损伤连续光学切片,连续光学切片经过计算机三维重建的处理,能够从任意角度观察标本的三维剖面或整体结构。
二、LSCM相对光学显微镜的优点:
(1)LSCM的图象是以电信号的形式记录下来的,所以可以采用各种模拟的和数字的电子技术进行图象处理(2)LSCM利用共聚焦系统有效的排除了焦点以外的光信号干扰,提高了分辨率,显著改善了视野的广度和深度,使无损伤的光学切片成为可能,达到了三维空间定位;(3)由于LSCM能随时采集和记录检测信号,为生命科学开拓了一条观察活细胞结构及特定分子、离子生物学变化的新途径:(4)LSCM除具有成像功能外,还有图象处理功能和细胞生物学功能,前者包括光学切片、三维图象重建、细胞物理和生物学测定、荧光定量、定位分析以及离子的实时定量测定;后者包括黏附细胞的分选、激光细胞纤维外科及光陷阱技术、荧光漂白后恢复技术等。

