浅谈 | 激光共聚焦显微镜特点及应用

永新Nexcope显微系统

2022.6.30

作者永新光学

TA的动态

激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）是基于共轭焦点技术设计的显微镜类型，即为使激光光源、被测样品和探测器都处于彼此的共轭位置上。

基本原理

在一般的显微镜中通过将物镜的焦平面与探测器重合使得观测的像平面与相邻的轴平面隔离开来，而在共聚焦显微镜中通过使用衍射受限的光点照亮样品，并在该光点共轭焦点处的收集光路径中使用针孔来过滤杂散光达到产生这种隔离效果从而提高分辨率。

激光共聚焦显微镜原理图

成像特点

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不同的焦平面上生成“z叠层”图像

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上图所示结构中，只有在共轭的样品层反射回的光可以通过收集光路径中的小孔，其余无关的样品层反射被小孔阻隔。这可以得到显著的分辨率的提升。如下图所示的是同一厚样品的多维荧光显微镜和共聚焦显微镜的并排比较。当在不同的焦平面上拍摄一系列图像时，可以生成通常被称为“z叠层”的图像，这一图像显示了共聚焦显微镜提供的分辨率和对比度增益以及这些增益的根本原因。可以看到在成像平面位于组织上方的堆栈顶部检查图像可以发现荧光图像中带有大量的散射光，而共聚焦显微镜的图像则显示为黑色。这种轴向上的PSF的减少直接导致了z叠层中间光学界面上观察到的分辨率差异。

同一厚样品

多维荧光显微镜和共聚焦显微镜成像比较

成像特点

—光学切片扫描成像—

激光扫描共聚焦显微镜的另一个特点是它是一种扫描成像技术，传统的宽场照明技术是将整个样品都照亮，因此可以图像可以直接被肉眼或探测器捕捉，但是LSCM采用一束或多束聚焦光束穿过样品扫描成像，这样得到的图像被称为光学切片，下所示即为传统的宽场照明方式与激光扫描共聚焦照明方式的区别。

传统宽场显微镜和激光扫描共聚焦显微镜

照明方式区别

因此现代共聚焦显微镜的一种实际的工作方式如下图所示，激光发出的激发光通过二向色镜，通过一对振镜在样品x方向和y方向进行扫描，样品激发（或反射）的光通过针孔进入PMT检测器被记录，记录下的扫描图像通过计算机重构出实际的样品图像。

一种实际的激光扫描共聚焦显微镜示意图

成像特点

—分辨率对比宽场照明大幅提升—

在荧光显微镜中，单点发射的光强度由点扩散函数（PSF）描述，其图案就是一个艾里斑，荧光系统的分辨率可以由艾里斑的半径来描述，艾里斑的半径可以由物镜的数值孔径和激发光的波长决定：

另一种荧光系统分辨率测量方式是半高宽最大值，即强度下降到峰值50%的值，此时宽场荧光照明的横向分辨率为：

激光扫描共聚焦显微镜的分辨率为：

这表明，共聚焦显微镜的理论最大分辨率比宽场照明提高了

倍。下图表示了宽场显微镜与共聚焦显微镜的对比，左图为宽场显微镜得到的图像，右图为共聚焦显微镜得到的图像。

宽场显微镜与共聚焦显微镜成像对比

主要应用领域

—医疗领域—

Li 等人通过LSCM技术对31位虹膜粘连但角膜透明的病人进行了检查，观察到类树干状结构、树枝/灌木状结构、果实特征结构、上皮状结构等一些可能的结构变异，同时发现颜料粒子的减少可能会导致廷德尔积极现象[1]。

主要应用领域

—生物学领域—

L. Cortes等人通过将抗钙结合蛋白（Alexa-568）和抗胶质纤维酸性蛋白（Alexa-488）对小鼠的小脑进行标记得到的图像。并且通过快速获取小鼠大脑的室管膜组织块上荧光标记的运动纤毛的概览，记录下了运动纤毛的确切位置，揭示了运动纤毛的作用机制。

小鼠大脑图像

小鼠大脑运动纤毛图像

德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所的A. Politi、J. Jakobi以及P. Lenart等人通过Hoechst 44432对海拉细胞的DNA染色，使用微管蛋白抗体Alexa 488对微管染色以及鬼笔环肽Abberior STAR Red对F-肌动蛋白染色，使用LSCM得到了高效、超高分辨率的大视察视野的海拉细胞图像，帮助更好的了解了海拉细胞的结构以及发展变化。

Dr. Gerry Apodaca等人通过用iDISCO对透明化的小鼠膀胱进行成像，获得了清晰且完整的小鼠膀胱图，有助于揭示小鼠膀胱内部运动的机理。

小鼠膀胱

主要应用领域

—高分子化学领域—

Deng等通过两种Ｎ－硫代羧基内酸酐（MeSPG-NTA和Sar-NTA）的顺序分段投料聚合合成两亲性嵌段共聚物。通过纳米沉淀法、双乳液法等自组装方法，PMeSPG-b-PSar能分别形成纳米和微米尺度的聚类肽囊泡。在LSCM的表征下，由双乳液法获得的微米囊泡在 H2O2刺激下随时间逐渐崩解的过程被完整记录下来。将一种疏水的光敏剂四苯基卟啉（TPP）引入到 PMeSPG-b-PSar囊泡体系中，TPP可通过疏水相互作用附着在囊泡膜上，在光刺激下会引起囊泡崩解[2]。

主要应用领域

—表面粗糙度领域—

Ibáñez等人通过LSCM对收割不同谷物在镰刀上产生的光泽进行测量，并测试了八种不同的加工材料（骨头、鹿角、木材、新鲜皮、干皮、野生谷物、驯化谷物和芦苇）产生的光泽，并通过分析软件建立预测模型数据库，首次证明了基于LSCM对使用磨损光泽的定量分析可以有效地识别用于加工不同接触材料的工具[3]。

NCF950

激光共聚焦显微镜

配置更加灵活，售后通道更加方便，不输于进口成像的国产激光共聚焦显微系统。

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Nexcope 激光共聚焦成像图展示

更多 Nexcope NCF950 成像图请访问：

47.114.153.52:8080/novel.html

参考文献

[1] Li M, Cheng H B, Guo P, Zhang C, Tang S, Wang S S. Iris ultrastructure in patients with synechiae as revealed by in vivo laser scanning confocal microscopy[J]. BMC Ophthalmology, 2016, 16:46.

[2]Deng Y,ChenH,TaoX.Oxidation-Sensitive Polymersomes Based on Amphiphilic Diblock Copolypeptoids[J]. Biomacromolecules. 2019,20 (9): 3435-3444.

[3] Ibáñez JJ, Lazuen T, González-Urquijo J. Identifying experimental tool use through confocal microscopy[J]. Journal of Archaeological Method and Theory, 2019, 26(3): 1176-1215