共聚焦顯微鏡

更新時間：2021-09-23

點擊次數：2293

共聚焦顯微鏡（CLSM）具有成像分辨率高、Z軸深度分辨率高這兩個特點[1]。這意味著使用共聚焦顯微鏡可以對某一區域的生物組織樣本進行圖像顯示，并通過不斷調節Z軸深度，對一定Z軸深度范圍內的生物組織進行成像，并通過疊加各個深度的二位成像，得到該區域生物組織的三維圖像重構圖。是經過了很多年的發展才實現了完成顯微鏡所需的激光束掃描。經過不斷地發展，最終實現了使用聚焦激光束對樣品進行點對點掃描，完成二維圖像重構，再到后期的三維成像。

傳統顯微鏡進行成像時深度分辨率較差，而使用共聚焦顯微鏡可以對樣品某一層進行成像，具有較高的深度分辨率，進而可以對樣本進行三維成像。

工作原理1：

使用激光器發射出一束激光作為光源，輸出的激光通過一個物鏡聚焦在樣品表面。通過改變激光束聚焦在樣品的位置，實現激光聚焦點在樣品一片區域內的掃描。產生的熒光信號經過一個小孔后，被光電探測器收集，小孔與焦平面處樣本成共軛關系，離焦熒光信號被濾除，使得共聚焦顯微鏡具有一定層析能力。采集激光束掃描至每一點時激勵光與樣本反應產生的熒光信號，經過圖像重構得到該片樣本區域的熒光成像。

工作原理2：

經過光強調節后的激勵光進入一個由兩個可快速精密調節角度反射鏡組成的XY反射鏡組。兩個反射鏡分別對應X軸Y軸方向，通過調節兩個反射角度，使得經過XY反射鏡組的出射激勵光在一定面積的平面范圍內按一定軌跡進行掃描。常見的掃描軌跡有柵格形（Raster）掃描軌跡、螺旋形（Spiral）掃描軌跡。

掃描過程中的入射激勵光會與生物組織樣本中的熒光物質相互作用產生熒光，一部分熒光會沿與入射激勵光相反的方向在先后通過物鏡和XY反射鏡組后進入二向色鏡（Beam Splitter）中，分光鏡會反射激勵光，同時不會反射信號光，起到分離激勵光與熒光的作用。

經過分光鏡后的熒光進入到物鏡中再次被匯聚成為焦點，并在這個熒光焦點處加入針孔（Pinhole），此熒光焦點與樣本處焦點具有對應關系，樣本焦平面以外產生的熒光信號在經過針孔時會被遮擋住，因此僅有樣本焦平面產生的熒光信號會通過針孔，針孔起到濾波作用，使得共聚焦顯微鏡具有深度辨析能力。

經過針孔后的熒光信號具有較強的層析能力，同時由于光強較弱，需要使用靈敏度較高的光電探測器進行探測。在此一般使用光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）將熒光信號放大并轉換為電信號，此電信號為模擬信號。光電倍增管可以在不引入噪聲的情況下將微弱的光信號放大約一百萬倍。光電探測器輸出的電信號強度與輸入熒光強度成正比。經光電倍增管轉換成，與熒光強度成正比的電信號隨后由模數轉換器轉換為數字信號，此數字信號對應樣本焦點處熒光信號強度。隨XY反射鏡組掃描，通過探測特定深度樣本區域內的熒光信號，得到每一點熒光強度對應的數字信號值，經過計算機圖像處理將每一個數字信號值轉換為對應的灰度值，每一灰度信號值對應一個像素點，將每個灰度信號與激勵光掃描軌跡相對應得到成像圖。

共聚焦顯微鏡特點

共聚焦激光掃描顯微鏡通過引入小孔，使得顯微鏡具有深度分辨率，成像質量增加。并且通過對體樣本進行斷層步進成像，通過后期圖像處理可以得到體樣本三維立體成像。

因為共聚焦顯微鏡為點掃描成像，所以其成像速度相對較慢。

共聚焦顯微鏡應用

為使用共聚焦顯微鏡對葵花花粉進行5微米步進斷層成像示意圖，激勵光為488nm（綠）和543nm（紅）雙波長配合激勵，所得成像分辨率為3微米。通過將圖 4中每一層的成像按順序重組，可以得到如圖 5所示的葵花花粉三維成像圖。