激光共聚焦显微镜技术1讲解

激光共聚焦显微镜技术

The techniques and applications of Confocal Laser Scanning Microscopy

激光共聚焦显微镜(LSCM)的发展简史

1957年，Marvin Minsky提出了共聚焦显微镜技术的某些基本原理，获得了美国的专利。1978年，阿姆斯特丹大学的G.J.Brakenhoff首次展示了改善了分辨率的共焦显微镜。

1985年，Wijnaendtsvan Resandt推出了第一台对荧光标记的材料进行光切的共焦显微镜

激光共聚焦显微镜(LSCM)的发展简史

☐80年代末，各家公司都推出了商品化的共焦显微镜,英国的Bio-Rad公司的MRC系列，德国Leica公司的TCS系列，Zeiss公司的LSM系列等。

☐近二十年来，从滤片型到光谱型，人们对共焦高分辨率，采集图像快速，技术的改进及应用开发不断进行，出现了很多新的技术。如双光子，FCS,FLIM ,STED等。

共焦显微镜的优点

人眼分辨率：0.2mm

光学显微镜分辨率：0.25μm

电子显微镜分辨率：0.2nm

共焦显微镜分辨率：μm

共焦显微镜的优点

☐电子显微镜的缺陷：

1.只能观察固定样品

2.样品制备过程（固定、包埋、切片）造成的假象

☐荧光显微镜的缺陷:

1.可以观察活细胞或组织，但细胞或组织内结构高度重叠。

2.荧光具有强散射性，造成图像实际清晰度的大大下降。

3.荧光漂白很快，使荧光图像的拍照有困难。

4.如果荧光滤片选配不当，多荧光标记样品图像的采集很困难，且很难抑制光谱交叉。

共焦显微镜的优点

☐共焦显微镜与传统显微镜的区别

1.抑制图像的模糊，获得清晰的图像

激光扫描共焦显微镜技术

☐共焦显微镜与传统显微镜的区别

2. 具有更高的轴向分辨率，并可获取连续光学切片

激光扫描共焦显微镜技术

共焦显微镜与传统显微镜的区别

3. 增加侧向分辨率

激光扫描共焦显微镜技术

Fluorescent Microscope vs confocal

激光扫描共焦显微镜技术

激光扫描共焦显微镜技术

扫描方式

激光扫描共焦显微镜技术

原理小结:

Confocal 利用放置在光源后的照明针孔和放置在检测器前的探测针孔实现点照明和点探测，来自光源的光通过照明针孔发射出的光聚焦在样品焦平面的某个点上，该点所发射的荧光成像在探测针孔内，该点以外的任何发射光均被探测针孔阻挡。照明针孔与探测针孔对被照射点或被探测点来说是共轭的，因此被探测点即为共焦点，被探测点所在的平面即为共焦平面。计算机以像点的方式将被探测点显示在计算机屏幕上，为了产生一幅完整的图像，由光路中的2

al convention confocal d d

扫描系统在样品焦平面上扫描，从而产生一幅完整的共焦图像。只要载物台沿着Z轴上下移动，将样品新的一个层面移动到共焦平面上，样品的新层面又成像在显示器上，随着Z轴的不断移动，就可得到样品不同层面连续的光切图像。

激光扫描共焦显微镜技术

激光扫描共焦显微镜的设计特点:

1.点照明。

2.具有照明pinhole和探测pinhole。

3.照明pinhole和探测pinhole共轭(共焦), 共焦点即被探测点，被探测点所在的平面为共焦平面。

4.具有扫描系统——逐点扫描成像。

5.具有多个（五个）荧光通道，可同时探测多个被标记物。

6.使用AOTF(Acousto-Optical Tunable Filter )进行激光波长和强度的选择，并以极超快速控制激光开和关，从而实现任意形状感兴趣区域扫描的功能,实现了实时快速检测。

7. AOBS(Acousto-Optical Beam Splitter)：更好的减少了激发光对发射荧光的干扰。

8.光谱检测器：任意选择接受光谱的波长和带宽。

AOBS(Acousto-Optical Beam Splitter)

AOBS的作用

☐特定波长的激发光经过AOBS后发生偏转进入光路

☐样品产生的荧光直接通过AOBS到达检测器，而反射回来的激发光经过AOBS后发生偏转不能到达检测器。

☐优点：与传统的二色光分光镜相比，增大了荧光的接受率。

☐更好的阻止了激发光对发射荧光的干扰。

光谱检测器

棱镜分光，光谱检测

激光扫描共焦显微镜技术

☐分辨率

1. 光学分辨率

只与物镜的数值孔径NA和检测波长有关

xy分辨率比传统显微镜小1.4x

传统显微镜: Rxy=0.61λ/NA （0.25 μm )

Confocal: Rxy=0.4λ/NA（0.18 μm )

2. 采样分辨率

固定物镜倍率下，Zoom相同时，无论采样密度大

小，采样面积是固定的。

理论上，固定面积下，采样密度越高，即采样点越

多，图像越细腻。但是，采样密度越高，扫描一幅

图像的速度越慢，荧光强度越低，样品也越容易被

淬灭。

激光扫描共焦显微镜技术

☐图像亮度

1.与物镜NA有关。

物镜镜像亮度与数值孔径的平方呈正比，与总放大率的

平方呈反比。

L = NA 2/ M 2 , NA 大小相同，倍率越高，镜像亮度越低

2. 与pinhole 大小有关。 M 2 = ( M 1 × M 2) 2

Pinhole 大小的选择

理论上，最佳Pinhole ＝Airy Disk ＝1

实际上，应根据样品标记的实际情况来选择Pinhole 的大小

3. 与激发光强度有关。

4. 与接受发射荧光波长的带宽有关

激光扫描共焦显微镜技术

☐光切厚度和光切步距

光学切片厚度

取决于: 物镜的NA 、针孔大小、发射波长等

光学切片厚度＝光切步距(Step Size)

☐dz=

Z 轴的最小移动步距: 40nm ，15 nm ，3 nm

理论Z 轴分辨率：dz=0.35μm

激光扫描共焦显微镜技术

☐样品的最大厚度:大约1- 2mm(10X/0.4物镜)

取决于: 物镜的NA 、物镜的工作距离

激光的穿透力、样品的透明度

Z 轴的最大移动范围(SP2 166μm 、Z-wide,8mm)

(sp5 500/1500 μm, -11mm/2mm,15nm stepsize ）

在观察较厚的样品，如脑片时，应该选用怎样的物镜？

激光扫描共焦显微镜技术

☐技术指标（Leica TCS ) :

1. xy 分辨率比传统显微镜小1.4x

传统显微镜: Rxy=0.61λ/NA （0.25 μm )

Confocal: Rxy=0.4λ/NA （0.18 μm )

2. 样品的最大厚度:大约1- 2mm(10X/0.4物镜)

取决于: 物镜的NA 、物镜的工作距离

激光的穿透力、样品的透明度

Z 轴的最大移动范围(166μm 、Z-wide 8mm sp2)

(500um/1500um/3nm , Z-wide 13mm Sp5) ( 0.88λem)

2 ( n ⨯√2 Ph )2 NA n -(n 2-NA 2)1/2 +