共聚焦编辑

光路在两个位置上聚焦

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是指光路（激发和发射）在两个位置上聚焦。在共聚焦扫描仪中，激发光聚焦在样品点表面，而发射光聚焦在针孔上。这一针孔限制仪器在样品表面的聚焦深度，有效防止杂质信号（如灰尘荧光、样品背面的污染、玻璃的荧光信号、空气中常见的灰尘颗粒和来自扫描仪光学组件的荧光污染）产生的背景噪音干扰，从而降低背景信号的强度。

20 世纪 50 年代中期，当 Marvin Minsky在哈佛大学读博士后的时候提出了共聚焦显微镜的基本概念，并于 1957 年申请了技术专利。Minsky的发明并没有马上引起人们的注意，主要原因是没有足够强度的光源，并且当时计算机的能力还不足以处理大量的数据。90 年代，光学和电子技术的发展产生了更稳定和更强的激光、更高效的扫描镜片组、高效能的光纤、更精细的镀膜技术和更低噪音的检测器。此外，更多的适合固定波段激发的荧光染料也被不断的合成。相应的计算机处理器速度快速发展，图像显示技术增强和大容量的存储设备的产生也都在实际上推动了激光扫描共聚焦显微镜应用的迅速增加。共聚焦显微镜已经逐渐成为分子、细胞和活体组织研究的常规研究设备。这在几年以前还是不可想象的事情。

显微镜

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简介

共聚焦成像技术与普通显微镜成像技术区别

共聚焦显微镜与传统场式（widefield）照明显微镜相比有许多独特的优点，包括：可以控制焦深、照明强度，降低非焦平面光线噪音干扰，从一定厚度标本中获取光学切片，即显微 CT。共聚焦最核心的技术是通过空间过滤技术去除了一定厚度标本的非焦平面信息，因为对于普通场式光源显微镜来说，标本非焦平面信息的干扰是不可避免的。共聚焦显微镜在科研领域迅速发展，主要原因是其可以在不改变普通荧光显微镜的制片方法的前提下，可以观察到非常清晰的高质量图像，并且通过共聚焦显微镜可以十分方便的观察活的细胞或组织。事实上，共聚焦技术已经成为光学显微镜的一个最重要的技术进步。在传统的场光源反射式荧光显微镜中，当处于焦平面的标本被激发时，通常伴随着次级荧光的干扰，从而使图像清晰度下降。当标本厚度大于 2um 时，该现象就变得十分明显，利用场式照明通常掩盖了标本本身的细节。共聚焦显微镜不仅提高轴向的清晰度（z 轴）和侧向分辨率（x 和 y 方向），而且可以屏蔽次级荧光。虽然共聚焦显微镜从某种程度上增加了分辨率，但还是低于透射电子显微镜的分辨率。从这种角度来讲，共聚焦显微镜是介于这两种传统显微镜之间的观察法。

优缺点

共聚焦显微镜最基本的优点是可以对厚荧光标本（可以达到 50 µm或以上）进行精细的光学切片，切片的厚度约为 0.5到 1.5µm。系列光学切片图像可以通过精确的显微镜 Z 轴步进马达上下移动标本获得。图像信息的采集被控制在精确的平面内，而不会被位于标本上其他位置发出的信号干扰。在去除背景荧光影响和增加信噪比后，共聚焦图像的对比度和分辨率比传统场式照明荧光图像有明显的提高。

成像大赛

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简介

2009年11月1日，“奥林巴斯杯”全国首届共聚焦显微镜成像大赛在北京正式揭开了神秘的面纱。本次大赛由科学网主办，奥林巴斯（中国）有限公司独家冠名赞助。旨在推动中国科研人员显微成像技术的不断提高，促进共聚焦成像技术在前沿科研领域的应用，加强科研人员之间的交流与合作。

作品欣赏

羽

作品说明：翠兰斑凤蝶翅膀鳞片是天然的生物光子晶体，使用SLO3100获取图像,photoshop后期上色。图片的浅景深效果较好，类似微距照，有些可观性。

吵架

作品简介：本图是肝癌细胞HepG2，没有做任何加工，旋转45度做了镜像对称，形状酷似两只鸡在“吵架”。

共焦显微

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共焦显微技术是由美国科学家M.Minsky在1957年提出的，当时的主要目的是消除普通光学显微镜在探测样品时产生的多种散射光。20世纪60年代通过提高扫描精度突破了普通宽场成像的分辨率限制，在20世纪80年代研制成商用共焦显微镜。共焦显微镜分为普通光照明激发和激光照明激发两种类型，而以后者应用最为广泛。

激光扫描共聚焦显微镜（Laser scanning confocal microscope，LSCM）是一种先进的分子生物学和细胞生物学研究仪器。它在荧光显微镜成像的基础上加装激光扫描装置，结合数据化图像处理技术，采集组织和细胞内荧光标记图像，在亚细胞水平观察钙等离子水平的变化，并结合电生理等技术观察细胞生理活动与细胞形态及运动变化的相互关系。由于它的应用范围较广泛，已成为形态学、分子细胞生物学、神经科学和药理学等研究领域中很重要的研究技术。

原理

激光扫描共聚焦显微镜工作原理

激光扫描共聚焦显微镜的主要原理是利用激光扫描束通过光栅针孔形成点光源，在荧光标记标本的焦平面上逐点扫描，采集点的光信号通过探测针孔到达光电倍增管(PMT)，再经过信号处理，在计算机监视屏上形成图像。对于物镜焦平面的焦点处发出的光在针孔处可以得到很好的会聚，可以全部通过针孔被探测器接收。而在焦平面上下位置发出的光在针孔处会产生直径很大的光斑，对比针孔的直径大小，则只有极少部分的光可以透过针孔被探测器接收。而且随着距离物镜焦平面的距离越大，样品所产生的杂散光在针孔处的弥散斑就越大，能透过针孔的能量就越少（由10%到1%，慢慢接近为0%），因而在探测器上产生的信号就越小，影响也越小。正由于共焦显微仅对样本焦平面成像，有效的避免了衍射光和和散射光的干扰，使得它具有比普通显微镜更高的分辨率，并在生物学中获得了广泛的应用。

构造

共聚焦扫描显微镜

共聚焦显微镜主要由五部分组成：显微光学系统、扫描装置、光源、检测器和应用软件系统。整套仪器由计算机控制，各部件之间的操作切换都可在计算机操作平台界面中方便灵活地进行。（1）显微光学系统：

显微镜是共焦检测系统常用的组件，是系统成像质量的核心部分。显微镜光路一般采用无限远光学系统结构，可以方便地在其中插入光学元件而不影响成像质量和测量精度。物镜应选取大数值孔径、平场复消色差物镜，有利于荧光的采集和成像的清晰。物镜组的转换、滤色片组的选取、载物台的移动调节、焦平面的记忆锁定等都可以由计算机自动控制。

（2）扫描装置：

扫描装置是激光共聚焦检测系统进行大范围检测必需的组件，通常有由丝杠导轨组成的XY平移扫描、由振镜摆动的扫描等方式。前种扫描方式可以实现大范围区域的扫描，而后者扫描范围相对小一些，不过振镜摆动扫描可以很快，图像采集速度可以大大提高，有利于对那些寿命短的离子作荧光测定。扫描系统的工作程序由计算机自动控制，与信号采集相对应。

（3）光源：

光源有单色光（激光）和多色光（汞灯、氘灯、卤素灯等）。激光源可以使用多谱线氩离子激光器，它提供发射波长为457nm、488nm和514nm的蓝绿光；另外，氦氖绿激光器提供发射波长为543nm的绿光，氦氖红激光器提供波长为633nm的红光。激光源还可以用其他半导体激光器。

（4）检测器：

检测器通常采用光电倍增管（PMT）、光子计数器等，通过高速A/D转换器，将信号输入计算机以便进行图像重建和分析处理。通常在PMT前设置针孔，可以采用固定大小针孔或由计算机软件来控制的可变大小针孔。如果是检测荧光，光路中还应该设置能自动切换的滤色片组，满足不同测量的需要；也可以采用光栅或棱镜分光然后进行光谱扫描。

（5）应用软件系统：

应用软件系统可以根据具体需要设置各种功能，但有一点是共同的，就是将扫描位置坐标与检测器接收的信号一一对应起来，并以图像的方式进行储存与显示。

发展

共焦显微镜从产生至今获得了巨大的发展，扫描方式从最初的狭缝扫描方式（扫描速度较快，图像分辨率不高），到阶梯式扫描技术（提高了图像分辨率，标本制备要求太高），再到驱动式光束扫描器（扫描速度较快，符合共聚焦原理）。另外，激光扫描共聚焦显微镜的光源设计和分光采集技术也有较大的改进，主要集中在如下几个方面：

（1）现代的激光扫描共聚焦显微镜可以根据研究需要选择不同的激光器。选择激光光源时，一方面要满足研究工作对波长的需求，另一个方面要考虑到激光光源的寿命。

（2）最新一代激光扫描共聚焦显微镜可以用棱镜狭缝分光的新技术，配上合适的激光源后，能够摆脱传统的波长滤片组的限制，连续和自由地选择最佳波长。

（3）用于激光扫描共聚焦显微镜的物镜也做了较大的改进，不但具有平场复消色差特性，而且能与高速扫描功能相匹配。

共焦显微镜发展至今又产生了新的类型，如针孔阵列盘式激光共聚焦显微镜和双光子共聚焦显微镜：

（1）针孔阵列盘式激光共聚焦显微镜：

针孔阵列盘式激光共聚焦显微镜是为了解决快速变化过程的共聚焦检测问题而提出的，其核心是双碟片专利技术，由日本Yokogawa ElECTric公司发明，包括微透镜阵列碟片与针孔阵列碟片同步旋转。

与常规激光共聚焦方法不同，针孔阵列盘式激光共聚焦显微镜采用CCD作为探测器，无需载物台进行扫描运动，只要微透镜阵列碟片与针孔阵列碟片同步旋转，就可以对物体进行快速共焦检测，最高全幅采集帧速度达到1000帧/s，是活细胞在体荧光成像的重要工具。

（2）双光子共聚焦显微镜：

双光子共聚焦显微镜

双光子共聚焦显微镜是为了解决生物检测中样品染料标记的光漂白现象而提出的，因为共焦孔径光阑必须足够小以获得高分辨率的图像，而孔径小又会挡掉很大部分从样品发出的荧光，包括从焦平面发出的荧光，这样就要求激发光必须足够强以获得足够的信噪比；而高强度的激光会使荧光染料在连续扫描过程中迅速褪色（即光漂白现象），荧光信号会随着扫描进程的进行变得越来越弱。除此之外，还有光毒作用问题，在激光照射下，许多荧光染料分子会产生诸如单态氧或自由基等细胞毒素，所以实验中要限制扫描时间和激发光的光功率密度以保持样品的活性。针对活性样品的研究，尤其是活性样品生长、发育过程的各个阶段，光漂白和光毒现象将使这些研究受到很大的限制。

双光子激发原理

双光子激发的基本原理是：在高光子密度的情况下，荧光分子可以同时吸收 2 个较低能量（即更长的波长）的光子，在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后，发射出一个波长较短的光子；其效果和使用一个能量较高（即波长为长波长一半）的光子去激发荧光分子是相同的。双光子激发需要很高的光子密度，为了不损伤细胞，双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，其脉冲宽度只有 100 飞秒，而其周期可以达到 80 至 100 兆赫。在使用高数值孔径的物镜将脉冲激光的光子聚焦时，物镜的焦点处的光子密度是最高的，双光子激发只发生在物镜的焦点上，所以双光子共聚焦显微镜不需要共聚焦针孔，提高了荧光检测效率。

双光子共聚焦显微镜有很多优点：1）长波长的光比短波长的光受散射影响较小容易穿透标本；2）焦平面外的荧光分子不被激发使较多的激发光可以到达焦平面，使激发光可以穿透更深的标本；3）长波长的近红外光比短波长的光对细胞毒性小；4）使用双光子显微镜观察标本的时候，只有在焦平面上才有光漂白和光毒性。所以，双光子共聚焦显微镜比普通共聚焦显微镜更适合用来观察厚标本、活细胞，或用来进行定点光漂白实验。