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相差和顯微鏡

來(lái)源:上海倍萊德儀器有限公司   2024年12月24日 08:09  


有助呈現(xiàn)生物樣本的未染色透明結(jié)構(gòu)


顯微鏡

相差是一種光學(xué)顯微鏡技術(shù),用于增加未染色樣本的對(duì)比度。未染色樣本的結(jié)構(gòu),例如活細(xì)胞或其細(xì)胞器,在明場(chǎng)照明下觀察時(shí)可能顯得模糊,甚至變得透明。若使用相差顯微鏡觀察相同的樣本和結(jié)構(gòu),就能以更高的對(duì)比度和更豐富的細(xì)節(jié),清楚呈現(xiàn)這些樣本和結(jié)構(gòu)。

利用相移進(jìn)行成像

由于人眼或光電傳感器僅能觀察到光波振幅(即強(qiáng)度)或波長(zhǎng)(即顏色)的變化,因此對(duì)樣本進(jìn)行染色可以誘導(dǎo)振幅變化,導(dǎo)致光線穿過(guò)樣本后在強(qiáng)度和/或顏色上出現(xiàn)差異[1]。會(huì)引起光波振幅變化的樣本或其結(jié)構(gòu)稱為振幅物體[1]。染色劑非常有用,因?yàn)樗鼈兛梢葬槍?duì)樣本中的特定結(jié)構(gòu)染色,不過(guò)它們可能導(dǎo)致活細(xì)胞中毒。


相差顯微鏡能夠利用光路長(zhǎng)度差異引起相移,從而視覺呈現(xiàn)原本難以觀察到的模糊樣本結(jié)構(gòu)[1]。它借助新形成光波的干涉將相移轉(zhuǎn)化為振幅偏移。在光線穿過(guò)時(shí)會(huì)引起相移的樣本或其結(jié)構(gòu)稱為相位物體[1]。


相差顯微鏡技術(shù)誕生于1930年代,由荷蘭物理學(xué)家弗里茨·澤尼克發(fā)明[1-3]。1942年,這種技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用,而澤尼克本人也于1953年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)[4]。

顯微鏡
顯微鏡

圖1:利用相差技術(shù)和明場(chǎng)照明拍攝到的犬腎細(xì)胞(MDCK)圖像。

顯微鏡
顯微鏡

圖2:利用相差技術(shù)和明場(chǎng)照明拍攝到的單細(xì)胞生物變形蟲變形桿菌圖像


光波干涉

光路長(zhǎng)度(OPL)是介質(zhì)的折射率(n)與光線在介質(zhì)中兩點(diǎn)之間傳播距離(d)的乘積。OPL = nd。光路可能需要光線穿過(guò)多種介質(zhì),例如氣體、液體或固體。常見示例包括光線從空氣進(jìn)入水中,或者從空氣進(jìn)入玻璃。光路長(zhǎng)度與光線的傳輸時(shí)間和速度有關(guān)。光路長(zhǎng)度的差異導(dǎo)致光波穿過(guò)樣本的速度不同,即相移。因此,相位存在差異。與周圍介質(zhì)相比,較高的折射率會(huì)導(dǎo)致光波減速并降低相位。


干涉描述了兩道光波之間的相互作用,并按照疊加原則形成新的波形。光波干涉的相關(guān)參數(shù)是它們的振幅。如果兩道波相互干涉,生成光波的振幅等于每個(gè)干涉光波振幅的矢量和。


如果形成光波的振幅增大,這種干涉可以描述為相長(zhǎng)干涉(構(gòu)造性)。只要兩者的波峰和波谷在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)相遇,就會(huì)出現(xiàn)這種情況。也有可能,一道光波的波峰與另一道的波谷在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)相遇。這種情況會(huì)導(dǎo)致形成振幅較低的光波。這兩道光波之間的干涉稱為相消干涉(破壞性)。


相差顯微鏡中的光路

相關(guān)顯微鏡的關(guān)鍵元件是環(huán)形光圈和相位板。環(huán)形光圈位于聚光鏡的前焦平面內(nèi),限制了光波穿透的角度。相位板位于物鏡的后焦平面內(nèi),搭配相差環(huán),其材料可以按照λ/4的幅度調(diào)暗穿過(guò)相位板的光線,其中λ代表光線的波長(zhǎng)。


在采用科勒照明的相差顯微鏡[5]中,不與樣本相互作用的光波在物鏡的后焦平面上聚焦為明亮的光環(huán)。光環(huán)沿光軸方向上與相差環(huán)形成空間匹配,引發(fā)未偏離光的相移。樣本衍射產(chǎn)生的光線并不照射在相差環(huán)上,因此不受影響。


受影響和未受影響的光波之間,可以形成λ/2的總相移。未偏斜光的相位在相差環(huán)處會(huì)提前λ/4,穿過(guò)生物樣本時(shí)的衍射或散射光波通常會(huì)延后λ/4。λ/2的總相移會(huì)令光波在圖像平面內(nèi)產(chǎn)生相消干涉。為了增強(qiáng)對(duì)比度,未偏斜光在穿過(guò)相差環(huán)時(shí)會(huì)變暗并且有一部分光線會(huì)被相差環(huán)吸收。一定要避免未偏斜光比偏斜光更加明亮的情況,因?yàn)槟菚?huì)降低對(duì)比度。


相差顯微鏡中觀察到的λ/2相移會(huì)產(chǎn)生的相消干涉效應(yīng),因?yàn)楣獠ǖ牟ǚ搴筒ü仍谕粫r(shí)間點(diǎn)重合。因此,生成光波的振幅會(huì)減少,相位物體的相移轉(zhuǎn)換為振幅偏移。

顯微鏡

圖3:相差顯微鏡中的光路穿過(guò)聚光鏡環(huán)的環(huán)形光線通過(guò)聚光鏡聚焦在樣本上。部分環(huán)形光線被樣本的光學(xué)致密結(jié)構(gòu)(例如細(xì)胞膜、細(xì)胞器等)衍射,出現(xiàn)大約?λ(通常適用于生物樣本)的相移。這種相移和衍射光會(huì)繞過(guò)相差環(huán),因此幾乎不受相差環(huán)(通常位于物鏡的后焦平面內(nèi))的影響。相反,來(lái)自聚光鏡環(huán)的直射環(huán)形光線會(huì)直接到達(dá)相差環(huán),后者會(huì)調(diào)暗直射光并引起相移(通常提前?λ或延遲?λ,以獲得正相差)。由于樣本折射光線與穿過(guò)相差環(huán)的光線之間存在高達(dá)?λ的總相移,因此會(huì)產(chǎn)生相消干涉。所以,光學(xué)致密結(jié)構(gòu)會(huì)顯得更暗(正相差)

顯微鏡

圖4:相差環(huán)是相差顯微鏡的核心部件。通常它由灰色濾光片和保留板組成。穿過(guò)樣本且未發(fā)生衍射的光線部分穿過(guò)相差環(huán)(左箭頭)灰色濾光片會(huì)讓光線變暗以避免輻射。保留板會(huì)延遲非衍射光的相位,以便與穿過(guò)樣本時(shí)發(fā)生衍射并經(jīng)歷相移的光波形成干涉(右箭頭)


正相差和負(fù)相差——兩種形式的相差

相差分為兩種形式:正相差和負(fù)相差兩者的主要區(qū)別在于使用的相位板。對(duì)于正相差,穿過(guò)相差環(huán)的光線相比偏斜光會(huì)增加,對(duì)于負(fù)相差,相位會(huì)減少。負(fù)相差中的相位延遲會(huì)產(chǎn)生相位差異,導(dǎo)致光波受到破壞。光波存在相位,并引發(fā)相長(zhǎng)干涉,而非相消干涉,導(dǎo)致生成的光波振幅增加。


在正相差顯微鏡中,折射率高于周圍介質(zhì)的對(duì)象比折射率較低的對(duì)象顯得更暗。在負(fù)相差顯微鏡中,情況相反。


解讀相差圖像

相差顯微鏡可以視覺呈現(xiàn)光線穿過(guò)樣本時(shí)的光路長(zhǎng)度差異。光路長(zhǎng)度與樣本的厚度和折射率有關(guān)。細(xì)胞膜和細(xì)胞器等細(xì)胞結(jié)構(gòu)對(duì)于光路長(zhǎng)度具有深遠(yuǎn)的影響。由于許多細(xì)胞(特別是細(xì)胞培養(yǎng)液中)具有扁平且規(guī)則的形狀,因此使用明場(chǎng)顯微鏡幾乎無(wú)法看到它們。


這種細(xì)胞相差圖像可以放大細(xì)胞結(jié)構(gòu)的差異,可以視為光致密圖,因?yàn)?strong>光密度對(duì)于樣本或樣品的折射率有很大影響。不過(guò),多種效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致相差圖像的正確解釋變得復(fù)雜,因?yàn)樗鼈儾恢苯尤Q于光路長(zhǎng)度的差異。


光暈效應(yīng)可以描述大型相位物體周邊出現(xiàn)的正相差亮邊或負(fù)相差暗邊。光暈會(huì)形成是因?yàn)閬?lái)自樣本的部分衍射光會(huì)穿過(guò)相差環(huán)。未偏振波形成的光環(huán)要比相差環(huán)小一點(diǎn),因此來(lái)自樣本的低空衍射光波可以穿過(guò)相差環(huán)。穿過(guò)相差環(huán)的偏斜光保持著90°的相差,因此不受干涉的影響。這會(huì)導(dǎo)致對(duì)比度反轉(zhuǎn),導(dǎo)致大型物體的邊緣出現(xiàn)光暈。


遮光效應(yīng)是指樣本的均勻部分和周圍介質(zhì)一樣,以相同的光強(qiáng)度來(lái)顯示所發(fā)生的情況雖然穿過(guò)這些區(qū)域的光線會(huì)發(fā)生相移,但只有輕微的衍射,且散射角度大幅降低。因此,這些光波進(jìn)入相差環(huán)時(shí),就像未偏斜光一樣,不會(huì)發(fā)生干涉。


相差顯微鏡的另一個(gè)問(wèn)題就是可能發(fā)生對(duì)比度反轉(zhuǎn)。如果折射率很高的物體旁邊是折射率較低的物體,它們就會(huì)顯得更加明亮,而不是更暗(正相差的原因)。在這些區(qū)域,相移不是生物樣本常見的λ/4,因此會(huì)出現(xiàn)相長(zhǎng)干涉,而不是相消干涉(這與負(fù)相差正好相反)。


雖然這些效應(yīng)會(huì)讓相差圖像在解讀時(shí)更加困難,但相差顯微鏡是一種簡(jiǎn)單且重要的光學(xué)對(duì)比成像技術(shù),可以對(duì)相位物體成像。此外,相差顯微鏡能夠研究活體樣本中的細(xì)胞功能和結(jié)構(gòu),因此是生物學(xué)研究中常用的光學(xué)對(duì)比法

顯微鏡

圖5:曲霉菌的相差圖像

顯微鏡

圖6:大鼠睪丸的相差圖像


參考文獻(xiàn):(上下滑動(dòng)查看更多)

1.E. Hecht, Optics, 5 Ed., Ch. 13 Modern Optics: Lasers and Other Topics, Sec. 13.2.4 Phase Contrast (Pearson, 2017), ISBN13: 9781292096933. www.pearson.ch/HigherEducation/PhysicsAstronomy/AdvancedPhysicsOptics/EAN/9781292096933/Optics-Global-Edition

2.F. Zernike, Phase contrast, a new method for the microscopic observation of transparent objects, Physica (1942) vol. 9, iss. 7, pp. 686-698, DOI: 10.1016/S0031-8914(42)80035-3.X. /science/article/abs/pii/S003189144280035X

F. Zernike, Phase contrast, a new method for the microscopic observation of transparent objects part II, Physica (1942) vol. 9, iss. 7, pp. 686-698, IN1, 981-982, IN3, 983-986, DOI: 10.1016/S0031-8914(42)80079-8. /science/article/abs/pii/S0031891442800798

4.F. Zernike, Nobel Lecture, Nobel Prize in Physics 1953, Nobel Prize Organization (2023). /uploads/2018/06/zernike-lecture.pdf

5.M. Wilson, Koehler Illumination: A Brief History and a Practical Set Up in Five Easy Steps, Science Lab (2017) Leica Microsystems. /science-lab/koehler-illumination-a-brief-history-and-a-practical-set-up-in-five-easy-steps


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