显微镜技术基本原理讲解学习

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1、显微镜技术和显微镜 掌握常用显微镜的结构及性能特点 熟悉显微技术的基础理论 显微镜的应用 了解显微镜的维护 显微技术的进展 教学基本要求 第一节光学显微镜 一 光学显微镜的工作原理二 光学显微镜的基本结构三 光学显微镜的性能参数四 像差和色差五 光学显微镜的不足之处 一 光学显微镜的工作原理 显微镜是由两组会聚透镜组成的光学折射成像系统 把焦距较短 靠近观察物 成实像的透镜组称为物镜 objectlens 而焦距较长 靠近眼睛 成虚像的透镜组称为目镜 ocularlens 被观察物体位于物镜的前方 被物镜作第一级放大后成一倒立的实像 然后此实像再被目镜作第二级放大 得到最大放大效果的倒立的虚像

2、 位于人眼的明视距离处 光学显微镜的工作原理图 机械部分 镜座 镜柱 镜臂 镜筒 调焦装置 载物台 物镜转换器 光学部分 目镜 物镜 反光镜 聚光镜放大倍数 目镜的放大倍数 物镜的放大倍数 二 光学显微镜的基本结构 三 光学显微镜的性能参数 一 放大率 二 数值孔径 三 分辨率 四 视野 五 景深与焦长 六 镜像亮度和清晰度 七 工作距离 一 放大率 显微镜的放大率 amplification 或称放大倍数是指显微镜经多次成像后最终所成 放大的 像的大小相对于原物体大小的比值 常记作M M maqM是显微镜的总放大倍数 m是物镜的放大倍数 a是目镜的放大倍率 一般表达为明视距离 正常视力者为2

3、5cm 与目镜焦距之比 q为在双目显微镜中所增设的棱镜所起的放大倍数 一般取值为1 6倍 二 数值孔径 数值孔径 numericalaperture 又叫镜口率 是物体与物镜间媒质的折射率n与物镜孔径角的一半 正弦值的乘积 通常缩写为NA 即NA nsin 显微镜的数值孔径与其放大率成正比 与分辨率 景深成反比 它的平方与图像亮度成正比 NA nsin 最高数值孔径油浸物镜 较高数值孔径干物镜 低数值孔径干物镜 油 油 二 数值孔径 分辨率 显微镜的最重要参数 能够区分开两个质点的最小距离 D 分辨率 光波的波长N 介质折射率 物镜镜口角 N与D成反比 与D成正比 三 分辨率 提高显微镜分辨率

4、的方法 1 增大物镜的数值孔径在物镜和盖玻片之间充以n较大的油 如香柏油n 1 52 不仅使n增大 而且孔径角也增大 2 用短波长的光照射如紫外光显微镜 电子显微镜 四 视野 视野 visualfield 又称视场 field 是指通过显微镜所能看到标本所在空间的范围 五 景深与焦长 景深 depthoffield 又称焦点深度 是指在成一幅清晰像的前提下 像平面不变 景物沿光轴前后移动的距离称 景深 景物不动 像平面沿光轴前后移动的距离称 焦长 六 镜像亮度和清晰度 镜像亮度即显微镜的图像亮度的简称 高倍率工作条件下的暗场 偏光 摄影显微镜等都需要足够的亮度 与照明及物镜的性能参数相关 镜像

5、清晰度是指图像的轮廓清晰 衬度适中的程度 七 工作距离 工作距离是指从物镜前表面中心到被观察标本间满足工作要求的距离范围 与物镜的数值孔径成反比 一般情况下 物镜的数值孔径赿大 其工作距离赿小 四 像差和色差 一 像差1 球差 sphericaberration 2 彗差 broomaberration 3 像散 astigmatism 4 场曲5 畸变 distortion 二 色差 一 像差 aberration 像差是指透镜所成的像与理想像在形状 颜色等方面存在差异 1 球差 sphericaberration 透镜的球差 光轴上的点光源所发出的光锥入射到透镜的球折射面时 由于通过透镜边

6、缘的光线不满足近轴光线的条件 因此不能和通过近轴曲面的光线会聚成一个理想的亮点 而是形成一个中间亮边缘逐渐模糊的弥散斑 这就是透镜的球面像差 简称为球差 球差可以通过设置光阑而减小 2 彗差 broomaberration 近光轴外的点光源发出的光束 经过透镜中央和边缘部分后在垂直于光轴的同一成像平面上也不能交于同一个像点 离光轴越近的像会聚越好 亮度越大 亮点越小 于是在成像平面上便形成一个顶端小而亮 远离光轴方向形成逐渐增宽且亮度减弱的模糊尾部 形如彗星 称为彗差 透镜的彗差 光轴 透镜 3 像散 astigmatism 远离光轴的物点发出的光 即使是以细光束成像也不可能会聚于一点 而是在

7、像空间不同的成像面上或者成椭圆弥散斑 或者在特殊位置形成圆形弥散斑 甚至是形成两个垂直方向上的短亮线 这种成像缺陷称为像散 一般来说 透镜像散随透镜形状 光阑位置而异 可以用正 负透镜适当组合而消除 透镜的像散 物点 物镜 光轴 水平焦平面 垂直焦平面 明晰圆 4 场曲 一个平面的物体通过透镜成像后 虽然像平面上任意一点仍然是清晰的 但所成的像不再是一个平面 而成了一弯曲的面 这就是场曲 5 畸变 distortion 由于像平面上各处放大率不同引起的成像缺陷称为畸变 畸变的原因是由于透镜边缘与透镜近轴的放大率不同而引起的 如果离光轴越远处放大率越大 则像的外部线段将比中间线段长 结果形成了枕

8、形畸变 这种畸变称为正畸变 反之则形成边缘放大率小而近轴放大率大的桶形畸变 称为负畸变 透镜的畸变 二 色差 色差 chromaticaberration 是一种由白光或复色光经透镜成像时 会因各种色光存在着光程差而造成颜色不同 位置不重合 大小不一致的不同成像效果 从而造成像和物的较大失真 透镜的色差 透镜的轴向色差 和垂轴色差 B 五 光学显微镜的不足之处 1 放大倍数的极限 2000 2 分辨率的极限 0 2 m 可见光照明 3 景深的极限 0 1 m 要求金相准备 4 不能分析化学成分 第二节光学显微镜的分类及其应用 一 双目生物显微镜二 荧光显微镜三 相衬显微镜四 倒置显微镜五 暗场

9、显微镜六 紫外光显微镜七 偏光显微镜八 激光扫描共聚焦显微镜九 干涉相衬显微镜十 近场扫描光学显微镜 一 双目生物显微镜 双目显微镜 binocularmicroscope 的结构是利用一组复合棱镜把透过物镜后的光束分成强度相同的两束而形成两个中间像 分别再由左右目镜放大 来自物镜的光线经棱镜组分光成两束平行光束 进入目镜 双目显微镜必须满足分光后两束光的光程必须相同和两束光的光强度大小一致这两个基本要求 一 双目生物显微镜 二 荧光显微镜 荧光显微镜 fluorescencemicroscopy 是以紫外线为光源来激发生物标本中的荧光物质 产生能观察到各种颜色荧光的一种光学显微镜 利用它可研

10、究荧光物质在组织和细胞内的分布 为防止紫外线进入物镜 可以采用暗视场照明 荧光 Fluorescence 细胞中的某些物质 如叶绿素 经紫外线照射后能发出可见光线 称为荧光 自发荧光 由细胞本身存在的物质经紫外线照射后发出的荧光 诱发荧光 一些细胞成分本身经紫外线照射后不发荧光 但用荧光染料 酸性品红 甲基绿 吖叮橙等荧光色素 进行活体染色或固定后切片染色 就能在荧光镜下看见荧光 这种荧光叫诱发荧光 二 荧光显微镜 荧光显微镜的种类 A透射式B落射式 荧光显微镜的主要部件 透射式汞灯光源激发滤色镜暗场聚光镜吸收滤色镜 落射式汞灯光源激发滤色镜分色镜吸收滤色镜 吸收滤色镜 暗场聚光镜 激发滤色镜

11、 汞灯箱 透射荧光显微镜的构造 落射荧光显微镜的构造 吸收滤色镜激发滤色镜 分色镜 汞灯 紫外线保护罩 孔径光栏 FS 视场光栏 AS 目镜 吸收滤色镜 物镜 暗场聚光镜 激发滤色镜 汞灯 透射荧光显微镜原理 落射荧光显微镜原理 三 相衬显微镜 光线只有通过染色标本时其波长 振幅发生变化 人眼才能看见 活细胞和未染色的标本由于光的波长和振幅不发生变化 人眼看不到 但其相位有变化 因此利用光的干涉和衍射效应把透过标本不同区域的光波光程差转变成振幅差 使细胞内各种结构之间呈现清晰可见的明暗对比 相衬显微镜比普通光学显微镜多了2个部件 在聚光器上增加一个环形光阑 在物镜后焦面增加一个相板 相板上有一

12、个环形区 通过环形区的光比从其它区域透过的光超前或滞后1 4 这样就使通过标本不同区域光波的相位差转变为振幅差 三 相衬显微镜 相衬显微镜照明原理 光通过标本致密区时发生衍射 产生偏折光 相位和未受影响的直射光相比被推迟了1 4 只有未发生偏折的的直射光可通过相位板的环形区 其它的偏折光在物镜的后焦面上产生了一个与通过相位板的环形区的光不同的1 4 的光程差 两组光在平面上成像 三 相衬显微镜 如相板的环形区使直射光超前1 4 加上开始直射光超前的1 4 直射光共超前1 2 直射光和偏折光叠加形成的合成波振幅减少 产生暗反差 如相板的环形区使直射光滞后1 4 加上开始直射光超前的1 4 两者相

13、抵直射光不发生变化 直射光和偏折光无相位变化 形成的合成波振幅增加 产生明反差 三 相衬显微镜 四 倒置显微镜 倒置显微镜 InvertedMicroscope 的组成和普通显微镜一样 只不过物镜与照明系统颠倒 前者在载物台之下 后者在载物台之上 用于观察培养的活细胞 具有相差物镜 倒置显微镜 五 暗场显微镜 暗视野显微镜 darkfieldmicroscope 的聚光镜中央有档光片 使照明光线不直接进入物镜 只允许被标本反射和衍射的光线进入物镜 因而视野的背景是黑的 物体的边缘是亮的 利用这种显微镜能见到小至4nm 200nm的微粒子 分辨率可比普通显微镜高50倍 暗视野照明方式 六 紫外光

14、显微镜 使用紫外光源可以明显提高显微镜的分辨率 对于生物样品使用紫外光照明还具有独特的效果 生物细胞中的原生质对可见光几乎是不吸收的 而蛋白质和核酸等生物大分子对紫外光具有特殊的吸收作用 因此 可以使用紫外光显微镜 ultravioletmicroscope 研究单个细胞的组成与变化情况 七 偏光显微镜 偏光显微镜是利用光的偏振特性 对具有双折射性 即可以使一束入射光经折射后分成两束折射光 的晶体 液晶态物质进行观察和研究的重要光学仪器 利用它可以清楚地观察到纤维丝 纺锤体 胶原 染色体 卵巢 骨骼 毛发 活细胞的结晶或液晶态的内含物 神经纤维 肌肉纤维 植物纤维等的细微结构 从而可以分析细胞

15、 组织的变化过程 偏光显微镜是在一般显微镜的基础上增添了使普通光转变成线偏振光和检测偏振光的装置或观察干涉图样的特殊透镜 即光源前有偏振片 起偏器 使进入显微镜的光线为偏振光 镜筒中有检偏器 一个偏振方向与起偏器垂直的起偏器 七 偏光显微镜 偏光显微镜的载物台是可以旋转的 当载物台无样品时 无论如何旋转载物台 由于两个偏振片是垂直的 显微镜里看不到光线 而放入旋光性物质后 由于光线通过这类物质时发生偏转 因此旋转载物台便能检测到这种物体 七 偏光显微镜 偏光显微镜的结构 激光扫描共聚焦显微镜原理图 八 激光扫描共聚焦显微镜 激光扫描共聚焦显微镜实物图 1 激光扫描共聚焦显微镜工作原理 激光扫描

16、共聚焦显微镜是在荧光显微镜成像的基础上装有激光扫描装置 以单色激光作为光源 使样品被激发出荧光 利用计算机进行图像处理 从而得到细胞或组织内部微细结构的荧光图像 1 激光扫描共聚焦显微镜工作原理 共聚焦显微镜利用激光扫描束经照明孔形成点光源对标本内焦平面上的每一点扫描 由于照明孔与检测孔相对于物镜焦平面是共轭的 焦平面上的点同时聚焦于照明孔和检测孔 焦平面以外的点不会在检测孔处成像 这样就得到了标本清晰的光学切面图 克服了普通光镜图像模糊的缺点 在显微镜载物台上加一个微量步进马达 使载物台上下移动 改变焦平面 不同层次的光切面图像经计算机图像三维重组 就能获得样品的立体结构图像 1 激光扫描共聚焦显微镜工作原理 2 激光扫描共聚焦显微镜的基本结构 1 抑制图像的模糊 获得清晰的图像2 具有更高的轴向分辨率 并可获取连续光学切片3 增加侧向分辨率4 由于点对点扫描去除了杂散光的影响 3 共焦显微镜与传统显微镜的区别 4 CLSM在医学检验中的应用 1 细胞的三维重建2 细胞定量荧光测定3 细胞内钙离子 pH值和其它离子的动态分析4 细胞间通讯和膜的流动性 九 干涉相衬显微镜 interf