超分辨荧光显微技术原理

2014年的诺贝尔理综奖颁发给了“超分辨荧光显微技术”。也许接下来的几天，媒体会关注StefanHell、EricBetzig二人的传奇经历，或者另一名华人女科学家与该奖项失之交臂的遗憾。但是八卦之外，这项成果背后的科学本身也非常有意思。

这里面有三个关键词：“超分辨”、“荧光”和“显微技术”，我希望能够解释清楚以下几个问题，尤其是后两个问题：

1.为什么需要（光学）显微技术？

2.为什么光学显微镜的分辨率存在理论极限？

3.用怎样的方法可以突破这个理论极限以达到“超分辨”为什么这个理论极限可以被突破？

5.为什么非得是荧光显微技术，而非普通的明场（透射光）显微技术？

1.采样定理与显微镜

我们用肉眼观察或者用相机拍摄一个物体时，物体上的每一个细微的点都会在眼睛的视网膜或是相机的感光芯片上成像。那么我们为什么不能看到细菌等微小的东西，为什么不能把照片无限放大以看清远处树木上面的每一片叶子呢？

这个问题的答案比较简单：因为组成视网膜的每一个感光细胞（视杆细胞和视锥细胞）、相机芯片上的每一个感光元件（CCD、CMOS等）都是有大小的。比如视网膜中央凹区域的视锥细胞直径平均约为5微米。而由于奈奎斯特-香农采样定理的限制，视网膜上能分清的两个相邻像点的距离是视锥细胞直径的两倍，即10微米。再结合眼球的构造，大致可以推断出，在距离眼睛25厘米的位置，我们能分辨物体上相距为80微米的两个点，换算成点阵密度就是大约320ppi，这也是苹果所谓“视网膜屏”分辨率的来历。

如果要观察小于80微米的物体，比如细菌，就需要先将物体放大，再用眼睛或者相机观察。现代光学显微镜的构造其实非常简单，样品放置在物镜的焦点处，从样品上发射或散射的光经过物镜变成平行（准直）光，再经过一个结像透镜，然后会聚到相机的感光芯片上成像。

按照前面的方法来推算，要区分物体上相距为200纳米的两个点，如果使用科研级相机，比如最近火起来的sCMOS相机（每个感光像素尺寸为微米），只需要使用放大倍率为65倍的物镜就足够了。

那么是否可以通过提高物镜的放大倍率来观察低于200纳米的物体，比如细胞里面微管呢？

答案是不可以。

2.光学衍射极限

由于光是一种电磁波，具有衍射和干涉的特性。

图1.光学显微镜简化示意图

如上面的简图所示，紫色箭头表示的物体PQ经过物镜等之后在相机上成像为

P'Q'。由于光的衍射，物体上的点如P、Q，在相机上并不是单独的点，而是一个个有一定大小的斑，被称为夫琅禾费衍射斑（或称艾里斑），如右侧的同心圆所示。那么，当P'、Q'相距太近的时候，两个斑会叠加导致难以分辨。这就要求物体上的P、Q要相距一定的距离。

1873年，德国物理学家、卡尔蔡司公司的恩斯特·阿贝（ErnstAbbe）首次推算出衍射导致的分辨率极限。根据瑞利判据——“当一个像斑的中心落到另一个像斑的边缘时，就算这两个像刚好能被分辨”，显微镜能分辨的物体上两点P、Q 的最小距离h为：

这个公式就是光学显微镜的分辨率公式，或称为光学衍射极限。（注意此处的分辨率与通常说的显示器分辨率含义不同）

其中，为光的波长，n为物方的折射率，为物体与物镜边缘连线和光轴的夹角。如上图所示。为方便起见，其中的通常称为数值孔径，简写为NA。

摄影领域常用f/#或称光圈值来描述镜头，光圈值与数值孔径可以相互换算。对于一枚光圈为的镜头来说，数值孔径为，其分辨能力约微米。

目前常用的高倍物镜NA最大为，可以算出，对于可见光，比如波长500纳米的绿光，显微镜的分辨率约为200纳米。所以，即使再提高物镜的放大倍率，也不能提高显微镜的分辨率。

而200纳米这个数值也就通常被称作衍射极限。

.光学衍射极限的动态范围

从上面的公式可以看到，光学衍射极限其实并不是一个具体的数值，如果改变上述公式中的参数，是可以有效提高分辨率的。

(1)光的波长

可见光波长范围是400~760nm，如果使用更短波长的光，比如紫外线，理论上可以提高分辨率。但是紫外线能量高，易损伤样品，而且透射能力低，很难透过物镜。人们想到了使用高能电子束代替光束，比如200keV的电子对应的的布罗意波长为纳米（*米）。虽然NA相对较小（约为10°），依然可以达到纳米的理论分辨率。这就是电子显微镜的基本原理。

严格的说，电镜的分辨率依然限制在光学衍射极限的范围内。只不过这里的“光学”是“电子光学”。

(2)物方折射率n

空气折射率为1，水的折射率，玻璃折射率。目前主要的物镜都是玻璃材质，并在物镜与样品之间用与玻璃折射率一致的油来浸润，以提高分辨率。

2012年Olympus发布了一款NA高达的物镜，光学部分使用蓝宝石（折射率约）制作，并搭配高折射率的镜油（目测成分应该是二碘甲烷Methyleneiodide）。

也许在未来能发明比玻璃更好的材料，折射率更高、易于制作透镜、并且能找到高折射率的油，这样就能进一步提高分辨率。

比如用钻石（折射率大约）打造一枚土豪物镜，并找到同样折射率的透明液体，分辨率可以提高到倍。当然，由于成本及工艺因素，目前尚不现实。

(3)孔径角

看起来的最大值是90°，但是如果在样品的上下两面都放置物镜，相机同时收集这两个物镜中的光呢？

这种方法就是StephenHell在1991年发明的4Pi显微技术。此时衍射极限的公式稍有变化，分辨率能提高一倍。

简单理解，限制分辨率的一个原因是从物体上向四面八方发射的光线在经过透镜时，由于透镜大小（孔径）的限制，所以很多光线没有经过物体，其承载的物体的“信息”丢失了。而4Pi其实是通过两个物镜收集了更多的光及“信息”。每个高NA的物镜离物体都非常近，所以几乎能收集到各个角度的光，这也是4Pi 这个名称的来历——一个以物体为球心的球体其立体角的大小就是。

另一种“结构照明显微技术（SIM）”很聪明地通过类似摩尔纹的原理，获取到更多“信息”，也可以将分辨率提高一倍。解释原理需要用到傅里叶光学，在此就不详述了。它由已故的MatsGustafsson教授于2000年发明。

那么问题来了，是否还有办法“真正”突破衍射极限，使之并不受限于这个公式呢？

3.突破光学衍射极限

前面的公式推导过程中，有两个隐含条件。

第一个隐含条件是需要用到夫琅禾费衍射，而它也是有条件的，它要求物体与像平面之间的距离远远大于光的波长。这个条件称为远场条件。如果离物体足够近，衍射极限便不遵循上述公式。研究波长以内光传播特性的领域叫近场光学。

EricBetzig在1986年发明的近场扫描光学显微技术（NSOM）就是使用距离物体远小于波长的光学探针来扫描物体，以达到超分辨的显微图像。

4.超分辨荧光成像

另一个条件则非常隐蔽。这也是为什么本次诺奖会颁发给几乎没做过超分辨显微技术的WilliamMoerner的原因。

首先简单插播一下荧光成像的原理：荧光分子（如获得2008年的诺贝尔理综奖的绿色荧光蛋白GFP）在吸收一个高能量的短波长（如蓝光，称为激发光）跃迁到高能态之后，很快会发射一个低能量的长波长（如绿光，称为发射光）光子回到基态能级。

所以我们可以用蓝光照射样品上标记的GFP，而接收其发射的绿光，来对物体进行成像。这样的一个好处就是图像对比度会非常高，只有带有GFP的部位会被成像，其它部位都是黑色。

每个荧光分子的发光是完全独立的。WilliamMoerner的工作就是推动了对单个分子的成像等研究。

回到前面说的第二个隐藏条件，它假定了图1中的物体上的两点P、Q同时发光，所以二者的衍射斑才会叠加在一起导致难以区分。但如果P、Q是在不同的时间分别发光，那么可以（通过点扩散函数拟合或者去卷积的方法）精确地定位到每个衍射斑的中心点位置P'、Q'。那么也就不存在这样的衍射极限了，理论上即使P、Q相距再近都可以被分别定位而加以区分。

更进一步，广义地来说，只要是P、Q两点处在可以探测到的不同状态或是不同特征，那么就可以超越衍射极限。分辨率并不仅仅是关于波的，而且是关于不同状态的！

"Resolutionisaboutwavesandstates."--byStefanHell

意识到了这一点，就可以发明很多种真正突破衍射极限的显微技术了。比如：

(1)区分荧光分子的不同构象/能态

荧光分子处在不同构象或能态时，可以发射不同波长的光子，或者不发光。

受激发射耗损显微术（STED）：激发光周围套上一圈耗损光，使中心区域的荧光分子处于激发态发光，周围的分子处于耗损态不发光。这样可以使图1中的同心圆表示的衍射斑变小，以此来区分两个相距在衍射极限以内的分子。这个方法由StefanHell在1994年发明。

随机光学重构显微术（STORM）、光活化定位显微术（PALM）、荧光活化定位显微术（fPALM）：它们的共同特征是使样品中每次仅有少量随机、离散的单个荧光分子发光，通过拟合，找出每个荧光分子中心点的位置。重复拍摄多张图片之后，就可以把所有荧光分子的中心点位置叠加起来形成整幅图像。这些技术是由庄小威、EricBetzig等人在2006分别独立发明的。

图2.庄小威发明的STORM超分辨光学成像效果图。a,b为传统光学显微镜拍摄，c,d为相同区域经STORM技术拍摄并重构。b,d为a,c的局部放大。图中的结构是细胞内的支架——微管蛋白。图片来自。

RESOLFT：由于STED中，耗损光需要很强的亮度，激光器造价昂贵，而且对样品损伤较大，如果借鉴STORM/PALM/fPALM的原理，不需要使周围分子处于“耗损态”，而是采用类似于STORM等的特殊荧光分子，用较弱的光强使其处于其它能态，也可以实现超分辨。这也是StefanHell发明的。

(2)荧光分子闪烁的不同周期

SOFI：有些荧光分子在持续的激发光照射下，并不是持续发光，而是会闪烁。由于每个荧光分子随机闪烁的时间不一样，可以通过连续拍摄一段录像，分析比较图像中每个像素点记录到的荧光强度在这段时间内的闪烁情况，来区分不同的荧光分子，实现超分辨。2009年发明。

(3)荧光分子的极性/朝向不同

SPoD/ExPAN：荧光分子都是偶极子，可以理解成有着不同的朝向。当用不同朝向的偏振光激发时，荧光分子的亮度也会随之不同。可以周期性地改变偏振光朝向，连续拍摄一段录像，分析比较图像中每个像素点荧光强度的周期变化情况，来区分不同荧光分子，实现超分辨。2014年发明。

……

STED/RESOLFT的理论分辨率与激发光、耗损光强度有关；STORM/PALM与单个荧光分子发射的光子数有光；SOFI/SPoD与相机的像素尺寸有关（采样定理决定）。在固定的波长、NA下，理论上的分辨率依然可以达到任意高。

如果还能想到荧光分子的更多特性并加以利用，未来还会有越来越多的超分辨显微术被发明。

所以可以看到，WilliamMoerner开创的单分子荧光成像在超分辨成像中的作用。StefanHell、EricBetzig使用物理方法利用了荧光分子的化学特性而发明的超分辨显微成像，目前在生物学领域已经得到了广泛应用，因此，给三人颁发一个诺贝尔理综奖也是名至实归的。

荧光分析法检测原理及应用举例

1 荧光定义某些化学物质从外界吸收并储存能量而进入激发态，当其从激发态回到基态时，过剩的能量以电磁辐射的形式放射出去即发光，称之为荧光。可产生荧光的分子或原子在接受能量后引起发光，供能一旦停止，荧光现象随之消失。 2 荧光分类由化学反应引起的荧光称为化学荧光，由光激发引起的荧光称为光致荧光，课题主要研究光致荧光。按产生荧光的基本微粒不同，荧光可分为原子荧光、X 射线荧光和分子荧光，课题主要研究分子荧光。 3 光致荧光机理某一波长的光照射在分子上，分子对此光有吸收作用，光能量被分子所吸收，分子具有的能量使分子的能级由最低的基态能级上升至较高的各个激发态的不同振动能级，称为跃迁。分子在各个激发态处于不稳定的状态，并随时在激发态的不同振动能级下降至基态，在下降过程中，分子产生发光现象，此过程为释放能量的过程，即为光致荧光的机理。光致荧光的过程按照时间顺序可分为以下几部分。分子受激发过程在波长为10~400nm的紫外区或390~780nm的可见光区，光具有较高的能量，当某一特征波长的光照射分子时，是的分子会吸收此特征波长的光能量，能量由光传递到分子上，此过程为分子受激发过程。分子中的电子会出现跃迁过程，在稳定的基态向不稳定的激发态跃迁。跃迁所需要的能量为跃迁前后两个能级的能量差，即为吸收光的能量。分子跃迁至不稳定的激发态中即为电子激发态分子。在电子激发态中，存在多重态。多重态表示为2S+1。S为0或1，它表示电子在自转过程中，具有的角动量的代数和。S=0表示所有电子自旋的角动量代数和为0，即所有电子都是自旋配对的，那么2S+1=1，电子所处的激发态为单重态，用S i 表示，由此可推出，S 即为基态的单重态，S 1 为第一跃迁能级激发态的单重态，S 2 为第二跃迁能级激发态的单重态。S=1表示电子的自旋方向不能配对，说明电子在跃迁过程中自旋方向有变化，存在不配对的电子为2个，2S+1=3，电子在激发态中位于第三振动能级，称为三重态，用T i 来表示，T 1 即为第一激发态中的三重态，T 2 即为第二激发态中的三重态，以此类推。

荧光显微镜原理

各位老师、同学：按照上次组会的安排，今天下午我将结合荧光分析仪向大家简单的介绍一下荧光的原理和具体的实际操作过程，时间安排在下午3:30（京时），地点在510（荧光室，我会提前约好拿到钥匙），相关内容大概如下： 1.荧光的基本原理 2.实际的操作过程 3.几个常见的问题： a.如何选择合适的激发波长？ b.狭缝宽度是如何确定的？ c.荧光量子产率测试的一般流程请有兴趣的师生按时参加。荧光显微镜原理及应用 (一)荧光显微镜的原理和结构特点：荧光显微镜是利用一个高发光效率的点光源，经过滤色系统发出一定波长的光(如紫外光3650入或紫蓝光4200入)作为激发光、激发标本内的荧光物质发射出各种不同颜色的荧光后，再通过物镜和目镜的放大进行观察。这样在强烈的对衬背景下，即使荧光很微弱也易辨认，敏感性高，主要用于细胞结构和功能以及化学成分等的研究。荧光显微镜的基本构造是由普通光学显微镜加上一些附件(如荧光光源、激发滤片、双色束分离器和阻断滤片等)的基础上组成的。荧光光源——般采用超高压汞灯(50一

200W)，它可发出各种波长的光，但每种荧光物质都有一个产生最强荧光的激发光波长，所以需加用激发滤片（一般有紫外、紫色、蓝色和绿色激发滤片），仅使一定波长的激发光透过照射到标本上，而将其他光都吸收掉。每种物质被激发光照射后，在极短时间内发射出较照射波长更长的可见荧光。荧光具有专一性，一般都比激发光弱，为能观察到专一的荧光，在物镜后面需加阻断(或压制)滤光片。它的作用有二：一是吸收和阻挡激发光进入目镜、以免于扰荧光和损伤眼睛，二是选择并让特异的荧光透过，表现出专一的荧光色彩。两种滤光片必须选择配合使用。荧光显微镜就其光路来分有两种： 1．透射式荧光显微镜: 激发光源是通过聚光镜穿过标本材料来激发荧光的。常用暗视野集光器，也可用普通集光器，调节反光镜使激发光转射和旁射到标本上．这是比较旧式的荧光显微镜。其优点是低倍镜时荧光强，而缺点是随放大倍数增加其荧光减弱．所以对观察较大的标本材料较好。 2．落射式荧光显微镜这是近代发展起来的新式荧光显微镜，与上不同处是激发光从物镜向下落射到标本表面，即用同一物镜作为照明聚光器和收集荧光的物镜。光路中需加上一个双色束分离器，它与光铀呈45。角，激发光被反射到物镜中，并聚集在样品上，样品所产生的荧光以及由物镜透镜表面、盖玻片表面反射的激发光同时进入物镜，反回到双色束分离器，使激发光和荧光分开，残余激发光再被阻断滤片吸收。如换用不同的激发滤片／双色束分离器／阻断滤片的组

叶绿素荧光参数及意义

第一节叶绿素荧光参数及其意义韩志国，吕中贤（泽泉开放实验室，上海泽泉科技有限公司，上海，200333）叶绿素荧光技术作为光合作用的经典测量方法，已经成为藻类生理生态研究领域功能最强大、使用最广泛的技术之一。由于常温常压下叶绿素荧光主要来源于光系统II 的叶绿素a ，而光系统II 处于整个光合作用过程的最上游，因此包括光反应和暗反应在内的多数光合过程的变化都会反馈给光系统II ，进而引起叶绿素a 荧光的变化，也就是说几乎所有光合作用过程的变化都可通过叶绿素荧光反映出来。与其它测量方法相比，叶绿素荧光技术还具有不需破碎细胞、简便、快捷、可靠等特性，因此在国际上得到了广泛的应用。 1 叶绿素荧光的来源藻细胞内的叶绿素分子既可以直接捕获光能，也可以间接获取其它捕光色素（如类胡萝卜素）传递来的能量。叶绿素分子得到能量后，会从基态（低能态）跃迁到激发态（高能态）。根据吸收的能量多少，叶绿素分子可以跃迁到不同能级的激发态。若叶绿素分子吸收蓝光，则跃迁到较高激发态；若叶绿素分析吸收红光，则跃迁到最低激发态。处于较高激发态的叶绿素分子很不稳定，会在几百飞秒（fs ，1 fs=10－15 s ）内通过振动弛豫向周围环境辐射热量，回到最低激发态（图1）。而最低激发态的叶绿素分子可以稳定存在几纳秒（ns ，1 ns=10－9 s ）。波长吸收荧光红 B 蓝荧光热耗散最低激发态较高激发态基态吸收蓝光吸收红光能量A 图1 叶绿素吸收光能后能级变化（A ）和对应的吸收光谱（B ）（引自韩博平 et al., 2003）处于最低激发态的叶绿素分子可以通过几种途径（图2）释放能量回到基态(韩博平 et al., 2003; Schreiber, 2004)：1）将能量在一系列叶绿素分子之间传递，最后传递给反应中心叶绿素a ，用于进行光化学反应；2）以热的形式将能量耗散掉，即非辐射能量耗散（热耗散）；3）放出荧光。这三个途径相互竞争、此消彼长，往往是具有最大速率的途径处于支配地位。一般而言，叶绿素荧光发生在纳秒级，而光化学反应发射在皮秒级（ps ，1 ps=10－12 s ），因此在正常生理状态下（室温下），捕光色素吸收的能量主要用于进行光化学反应，荧光只占约3%～5%(Krause and Weis, 1991; 林世青 et al., 1992)。在活体细胞内，由于激发能从叶绿素b 到叶绿素a 的传递几乎达到100％的效率，因此基本检测不到叶绿素b 荧光。在常温常压下，光系统I 的叶绿素a 发出的荧光很弱，基本可以忽略不计，对光系统I 叶绿素a 荧光的研究要在77 K 的低温下进行。因此，当我们谈到活体叶绿素荧光时，其实指的是来自光系统II 的叶绿素a 发出的荧光。

光学显微镜的发展历史

光学显微镜的发展历史、现状与趋势杨拓拓 (苏州大学现代光学技术研究所，江苏苏州215000) 1基本原理显微镜成像原理及视角放大率显微镜由物镜和目镜组成。物体AB 在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处。图1-1显微镜系统光路图牛顿放大率公式： f f x x ''= 'x 是像点到像方焦点的距离，x 是物点到物方焦点的距离。根据牛顿放大率公式可得物镜的垂轴放大率为 '1'1'11--f f x ?== β 目镜的视觉放大率为： '22250 f =Γ 组合系统的放大率为 '1f

'2'121250f f ? -=Γ=Γβ 显微镜系统的像方焦距 ?-=/'2'1'f f f '250 f = Γ 显微镜系统成倒像轴向放大率 '2'1'2'1/f f x x =β 若物点A 沿光轴移动很小的距离，则通过显微镜系统的像点'2A 将移动很大的距离，且移动方向相同。显微系统的角放大率 '2'1'2'1/x x f f =γ 即入射于物镜为大孔径光束，而由目镜射出为小孔径光束。显微镜的孔径光阑单组低倍显微物镜，镜框是孔径光阑。复杂物镜一般以最后一组透镜的镜框作为孔径光阑。对于测量显微镜，孔阑在物镜的象方焦面上，构成物方远心光路。显微镜的视场光阑和视场在显微物镜的象平面上设置了视场光阑来限制视场。由于显微物镜的视场很小，而且要求象面上有均匀的照度，故不设渐晕光阑。显微镜是小视场大孔径成像，为获得大孔径并保证轴上点成像质量，显微镜线视场不超过物镜的1/20,线视场要求： 1'120202β?=≤f y

光学显微镜的原理及构造

光学显微镜的原理及构造显微镜是人类认识物质微观世界的重要工具，是现代科学研究工作不可缺少的仪器之一。显微镜自1666年问世以来已有300多年的历史了，其间随着科学技术不断发展，显微镜的品种不断增加，结构和性能逐步得到完善和提高。根据不同的使用用途，光学显微镜可分为普通光学显微镜、暗视野显微镜、相差显微镜、荧光显微镜、倒置显微镜、体视显微镜、偏光显微镜等10多种。目前，世界上许多国家都可以生产光学显微镜，牌名、种类繁杂，其中德国、日本等国制造的显微镜品质、数量占优势，但价格昂贵。对于现代的光学显微镜，包括各种简单的常规检验用显微镜、万能研究以及万能照相显微镜等，首先要认识其构造及各部件的功能，同时要掌握正确的调试、使用和保养方法，才能在实际应用中面对各种要求时以不同的显微镜检方法，充分发挥显微镜应有的功能，提高常规检验工作效率. 光学显微镜的原理和构造随着科学技术的发展，显微镜检方法由最传统的明视野、暗视野发展出了相差法、偏光方法；荧光方法也由透射光激发进展为落射光激发，使荧光效率大为提高；微分干涉相衬方法基于偏光方法，而巧妙地利用了微分干涉棱镜，使之能应用于医学与生物学的样品，又能应用于金相样品的分析与检验。下面以德国ZEISS公司生产的Axioplan万能研究用显微镜，简单介绍万能显微镜的基本组成部件。 1. 显微镜主机体（stand）　显微镜的主机体设计成金字塔形，而底座的截面呈T字形，使显微镜的整体相当稳固。显微镜的光学部件和机构调节部件、光源的灯室、显微照相装置、电源变压稳压器等，都可安装在主机体上或主机体内。 2. 显微镜的底座（base）　底座和主机体通常组成一个稳固的整体。底座内通常装有透射光照明光路系统（聚光、集光和反光）部件，光源的滤光片组，粗/微调焦机构，光源的视场光阑也安装在底座上。 3. 透射光光源（tranilluminator）　透射光光源由灯室（lamp housing）、灯座（lamp socket）、卤素灯（halogen lamp）、集光与聚光系统（lamp collector and lamp condenser）及其调整装置组成。 4. 透射光光源与反射光光源的转换开关（toggle switch）　这是新一代AXIO系列显微镜特有的装置，透射光和反射光可通用。当具有透/反两用的配置时，利用这一转换开关能方便而又迅速的使透射光和反射光互相转换。在纯透射光的配置中，这一开关就改为电源开关。

显微镜基础知识

显微镜基础知识第一章：显微镜简史随着科学技术的进步，人们越来越需要观察微观世界，显微镜正是这样的设备，它突破了人类的视觉极限，使之延伸到肉眼无法看清的细微结构。显微镜是从十五世纪开始发展起来。从简单的放大镜的基础上设计出来的单透镜显微镜，到1847年德国蔡司研制的结构复杂的复式显微镜，以及相差，荧光，偏光，显微观察方式的出现，使之更广范地应用于金属材料，生物学，化工等领域。第二章显微镜的基本光学原理一．折射和折射率光线在均匀的各向同性介质中，两点之间以直线传播，当通过不同密度介质的透明物体时，则发生折射现像，这是由于光在不同介质的传播速度不同造成的。当与透明物面不垂直的光线由空气射入透明物体(如玻璃)时，光线在其介面改变了方向，并和法线构成折射角。二．透镜的性能透镜是组成显微镜光学系统的最基本的光学元件，物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜组成。依其外形的不同，可分为凸透镜(正透镜)和凹透镜(负透镜)两大类。当一束平行于光轴的光线通过凸透镜后相交于一点，这个点称“焦点”，通过交点并垂直光轴的平面，称“焦平面”。焦点有两个，在物方空间的焦点，称“物方焦点”，该处的焦平面，称“物方焦平面”；反之，在像方空间的焦点，称“像方焦点”，该处的焦平面，称“像方焦平面”。光线通过凹透镜后，成正立虚像，而凸透镜则成正立实像。实像可在屏幕上显现出来，而虚像不能。三．影响成像的关键因素—像差由于客观条件，任何光学系统都不能生成理论上理想的像，各种像差的存在影响了成像质量。下面分别简要介绍各种像差。 1．色差（Chromatic aberration）色差是透镜成像的一个严重缺陷，发生在多色光为光源的情况下，单色光不产生色

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显微镜的原理和使用方法

显微镜的原理和使用方法-装片的制作显微镜的结构和使用（2）显微镜的成像 ①光源（天然光或人工光源）→反光镜→光圈→物体→物镜（凸透镜）→在镜筒内形成物体放大的实像→目镜→把经物镜形成放大的实像进一步放大 ②显微镜放大倍数=物镜放大倍数×目镜放大倍数（3）高倍显微镜的使用 ①用低倍显微镜观察取镜与安放： a. 右手握镜臂，左手托镜座。

b. 显微镜放在实验台的前方稍偏左。对光： a. 转动转换器，使低倍物镜对准通光孔。 b. 选一较大的光圈对准通光孔，左眼注视目境，转动反光镜，使光线通过通光孔反射到镜筒内，通过目镜，可能看到自亮的视野。低倍镜观察： a. 把所要观察的玻片标本放在载物台上，用压片夹压住，标本要正对通光孔的中心。 b. 转动粗准焦螺旋，使镜筒缓缓下降，直到物镜接近玻片标本为止（此时实验者的眼睛应当看物镜镜头与标本之间，以免物镜与标本相撞）。

c. 左眼看目镜内，同时反向缓缓转动粗准焦螺旋，使镜筒上升，直到看到物像为止，再稍稍转动细准焦螺旋，使看到的物像更加清晰。 ②高倍镜观察 a. 移动装片，在低倍镜下使需要放大观察的部分移动到视野中央。 b. 转动转换器，移走低倍物镜，转换为高倍物镜。 c. 调节光圈，使视野亮度适宜。 d. 缓缓调节细准焦螺旋，使物像清晰 ③注意事项 a. 使用显微镜一定要严格按照取镜→安放→对光→压片→观察的程序进行。 b. 下降镜筒时，一定要用双眼从侧面注视物镜，使之接近装片，但又要防止镜头触及装片。否则会压碎装片和损坏物镜（l0x物镜的工作距离为0. 5-1 cm）。 c. 有必要使用高倍物镜时，必须先在低倍物镜下将目标移到视野的中心，然后换用高倍物镜。因为在低倍物镜下看到的物像放大倍数小，但看到的标本实际面积大，容易找到目标；与低倍物镜相比，高倍物镜下看到的物像人，同样的视野面积看到的标本的实际面积小，在装片不动的情况下，高倍物镜看到的只是低倍物镜视野的中心部分。

超分辨荧光显微技术原理

如果要观察小于80微米的物体，比如细菌，就需要先将物体放大，再用眼睛或者相机观察。现代光学显微镜的构造其实非常简单，样品放置在物镜的焦点处，从样品上发射或散射的光经过物镜变成平行（准直）光，再经过一个结像透镜，然后会聚到相机的感光芯片上成像。按照前面的方法来推算，要区分物体上相距为200纳米的两个点，如果使用科研级相机，比如最近火起来的sCMOS相机（每个感光像素尺寸为6.5微米），只需要使用放大倍率为65倍的物镜就足够了。那么是否可以通过提高物镜的放大倍率来观察低于200纳米的物体，比如细胞里面微管呢？答案是不可以。 2.光学衍射极限由于光是一种电磁波，具有衍射和干涉的特性。图1.光学显微镜简化示意图如上面的简图所示，紫色箭头表示的物体PQ经过物镜等之后在相机上成像为 P'Q'。由于光的衍射，物体上的点如P、Q，在相机上并不是单独的点，而是一个个有一定大小的斑，被称为夫琅禾费衍射斑（或称艾里斑），如右侧的同心圆所示。那么，当P'、Q'相距太近的时候，两个斑会叠加导致难以分辨。这就要求物体上的P、Q要相距一定的距离。 1873年，德国物理学家、卡尔蔡司公司的恩斯特·阿贝（ErnstAbbe）首次推算出衍射导致的分辨率极限。根据瑞利判据——“当一个像斑的中心落到另一个像斑的边缘时，就算这两个像刚好能被分辨”，显微镜能分辨的物体上两点P、Q 的最小距离h为：

荧光显微镜原理

荧光显微镜原理一、荧光显微镜荧光显微镜是免疫荧光细胞化学的基本工具。它是由光源、滤板系统和光学系统等主要部件组成。是利用一定波长的光激发标本发射荧光，通过物镜和目镜系统放大以观察标本的荧光图像。（一）光源现在多采用200W的超高压汞灯作光源，它是用石英玻璃制作，中间呈球形，内充一定数量的汞，工作时由两个电极间放电，引起水银蒸发，球内气压迅速升高，当水银完全蒸发时，可达50～70个标准大气压力，这一过程一般约需5～15min。超高压汞灯的发光是电极间放电使水银分子不断解离和还原过程中发射光量子的结果。它发射很强的紫外和蓝紫光，足以激发各类荧光物质，因此，为荧光显微镜普遍采用。超高压汞灯也散发大量热能。因此，灯室必须有良好的散热条件，工作环境温度不宜太高。新型超高压汞灯在使用初期不需高电压即可引燃，使用一些时间后，则需要高压启动（约

为15000V），启动后，维持工作电压一般为50～60V，工作电流约4A左右。200W超高压汞灯的平均寿命，在每次使用2h的情况下约为200h，开动一次工作时间愈短，则寿命愈短，如开一次只工作20min，则寿命降低50%。因此，使用时尽量减少启动次数。灯泡在使用过程中，其光效是逐渐降低的。灯熄灭后要等待冷却才能重新启动。点燃灯泡后不可立即关闭，以免水银蒸发不完全而损坏电极，一般需要等15min。由于超高压汞灯压力很高，紫外线强烈，因此灯泡必须置灯室中方可点燃，以免伤害眼睛和发生爆炸时造成操作者受伤。超高压汞灯（100W或200W）光源的电路和包括变压、镇流、启动几个部分。在灯室上有调节灯泡发光中心的系统，灯泡球部后面安装有镀铝的凹面反射镜，前面安装有集光透镜。国产超高压汞灯GCQ-200型性能良好，可以代替HBO-200等型的进口灯泡，平均寿命在200h以上，价格也比较低。我国研制的一种简易轻便型高色温溴钨荧光光源装置，体积小，重量轻，功率小，交、直流两用（自带直流电源），易于携带，使用方便，已推广应用。（二）滤色系统滤色系统是荧光显微镜的重要部位，由激发滤板和压制滤板组成。滤板型号，各厂家名

透射电子显微镜的原理

透射电子显微镜的原理 XXX （大庆师范学院物理与电气信息工程学院 2008级物理学 200801071293 黑龙江大庆163712）摘要：透射电子显微镜在成像原理上与光学显微镜类似。它们的根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束，透射电子显微镜则以电子为照明束。在光学显微镜中将可见光聚焦成像的玻璃透镜，在电子显微镜中相应的为磁透镜。由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格(Bragg)方程，产生衍射现象，使得透射电镜自身在具有高的像分辨本领的同时兼有结构分析的功能。关键词：第一聚光镜；第二聚光镜；聚光镜阑；物镜光阑；选择区光阑；中间镜作者简介：XXX（1988-），黑龙江省绥化市绥棱县，物理与电气信息工程学院学生。 0引言：工业多相催化剂是极其复杂的物理化学体系。长期以来,工业催化剂的制备很大程度上依赖于经验和技艺,而难以从原子分子水平的科学原理方面给出令人信服的形成机制。为开发更高活性、选择性和稳定性的新型工业催化剂,通过各种表征技术对催化剂制备中的过程产物及最终产品进行表征是一个关键性的基础工作。在当前各种现代表征手段中,透射电子显微镜尤其是高分辨透射电子显微镜,可以在材料的纳米、微米区域进行物相的形貌观察、成分测定和结构分析,可以提供与多相催化的本质有关的大量信息,指导新型工业催化剂的开发。为什么透射电子显微镜有如此高的分辨率那？本文阐述了透射电子显微镜的工作原理。 1透射电子显微镜的定义/组成 1.1定义在一个高真空系统中，由电子枪发射电子束，穿过被研究的样品，经电子透镜聚焦放大，在荧光屏上显示出高度放大的物像，还可作摄片记录的一类最常见的电子显微镜称为透射电子显微镜。[1] 1.2组成透射电子显微镜由照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器系统组成。（如图1） 2透射电子显微镜的照明系统照明系统的作用是提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电子束。它主要由发射并使电子加速的电子枪和会聚电子束的聚光镜组成。

荧光显微镜的原理和荧光显微镜结构特点

荧光显微镜的原理和荧光显微镜结构特点发布时间:2011-06-14 荧光显微镜的原理和荧光显微镜结构特点荧光显微镜的原理是什么, 荧光显微镜是利用一个高发光效率的点光源，经过滤色系统发出一定波长的光(如紫外光365nm或紫蓝光420nm)作为激发光，激发检测标本内的荧光物质发射出各种不同颜色的荧光后，通过物镜和目镜系统的放大以观察标本的荧光图像的光学显微镜，是医学检验中的重要仪器之一。在强烈的对衬背景下，即使荧光很微弱也易辨认，敏感性高，主要用于细胞结构和功能以及化学成分等的研究。荧光显微镜的基本构造是由普通光学显微镜加上一些附件(如荧光光源、激发滤片、双色束分离器和阻断滤片等)的基础上组成的。荧光光源——般采用超高压汞灯(50一200W)，它可发出各种波长的光，但每种荧光物质都有一个产生最强荧光的激发光波长，所以需加用激发滤片(一般有紫外、紫色、蓝色和绿色激发滤片)，仅使一定波长的激发光透过照射到标本上，而将其他光都吸收掉。每种物质被激发光照射后，在极短时间内发射出较照射波长更长的可见荧光。荧光具有专一性，一般都比激发光弱，为能观察到专一的荧光，在物镜后面需加阻断(或压制)滤光片。它的作用有二:一是吸收和阻挡激发光进入目镜、以免于扰荧光和损伤眼睛，二是选择并让特异的荧光透过，表现出专一的荧光色彩。两种滤光片必须选择配合使用。萤光显微镜原理: (1) 光源幅射出各种波长的光(以紫外至红外)。 (2) 激励滤光源:透过能使标本产生萤光的特定波长的光，同时阻挡对激发萤光无用的光。

(3) 荧光标本:一般用萤光色素染色。 (4) 阻挡滤光镜:阻挡掉没有被标本吸收的激发光有选择地透射萤光，在萤光中也有部分波长被选择透过。以紫外线为光源，使被照射的物体发出荧光的显微镜。

突破衍射极限地超高分辨率成像技术发展 (修改)

结课论文题目突破衍射极限的超高分辨率成像的技术进展学生学号学院专业班级二〇一五年十二月

一引言 1.1选题意义光学显微成像具有极为悠久的历史，但一直以来，光学成像一直受到衍射极限的限制而分辨率无法突破200 nm。后来虽然有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备，但是使用光学显微镜可以在活体状态下观察生命体使得其在生物、医学观察方面仍有巨大优势。值得庆贺的是近年来，超高分辨率显微技术的发展使得光学显微成像分辨率达到了20 nm以下。其中德国科学家Stefan Hell、美国科学家Eric Betzig和William Moerner因其在超高分辨率显微技术方面的突出贡献获得了2014年的诺贝尔化学奖。在这篇文章中，我们就简要介绍一下超高分辨率显微技术的发展和应用，并对诸位大师致以敬意。 1.2技术指标显微技术成像优劣一般通过X-Y平面分辨率与Z轴分辨率大小来判定，分辨率越高数值越小。下表是各种显微成像技术的分辨率指标。

普通光学显微镜200-300 500-700 4Pi显微镜100-150 STED显微技术50-70 STED+4技术50 50 PALM技术20 30 3D STORM技术20-30 50-60 dSTORM技术30 50 2D SSIM技术50 3D SSIM技术100 200 电子显微镜0.05 X光衍射仪0.03-10

二衍射极限 2.1 衍射极限我们能看到什么？看到多小的围？看得有多清楚？几百年来，依靠不断进步的科学手段，微观世界正一层层揭开面纱，让人们可以看得越来越“小”，进而可以进行研究。人的肉眼能分辨0.1毫米尺度的物体，再小，就要借助工具。1665年，英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究的光学显微镜，用它观察薄薄的软木塞切片。虎克看到了残存的植物细胞壁，它们一个个像小房间一样紧挨在一起，这就是“细胞”一词的由来。此后，显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，帮助科学家第一次发现了细菌和微生物。那么，光学显微镜是否可以无止境地“放大”下去，让我们想看到多小就能看到多小？科学家为此做了很多尝试，最终发现，存在一道法逾越的“墙”—衍射极限。 1873年，德国科学家阿贝提出了衍射极限理论：光是一种电磁波，由于存在衍射，一个被观测的点经过光学系统成像后，不可能得到理想的点，而是一个衍射像，每个物点就像一个弥散的斑，如果这两个点靠得很近，弥散斑就叠加在一起，我们看到的就是一团模糊的图像。阿贝提出，分辨率的极限近似于入射光波长的二分之一(d=λ/2)。可见光的波长通常在380~780纳米之间，根据衍射极限公式，光学显微镜的分辨率极限就在200纳米（0.2微米）左右。如果物体小于0.2微米，你仍旧看到的是一个模糊的光斑。这就是很长一段时间，光学显微镜的分辨极限——衍射极限。

植物体叶绿素荧光测定仪的原理与使用方法

植物体叶绿素荧光测定仪的原理与使用方法【实验目的】 ?了解目前在光合作用研究中先进的叶绿素荧光技术，了解便携式叶绿素荧光仪测定植物光合作用叶绿素荧光参数的基本原理和仪器的使用方法。 ?老师演示和学生分组利用便携式叶绿素荧光仪(PAM2100)测定实验植物的叶绿素荧光基本参数(Fo, Fm, Fv/Fm, Fm’, Fo’, Yield, ETR, PAR, qP, qN等)。 ?了解荧光仪的广泛应用【实验原理】仪器介绍和工作原理叶绿素荧光（Chlorophyll Fluorescence）的产生 ?传统的光合作用测定是通过测量植物光合作用时CO2的消耗或干物质积累计算出来。叶绿素荧光分析技术通过测量叶绿素荧光量准确获得光合作用量及相关的植物生长潜能数据。 ?叶绿素荧光动力学技术在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用，与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”特点。 ?本实验以调制式叶绿素荧光仪PAM-2100（W ALZ）为例，测定植物叶绿素荧光主要参数。植物叶片的生长状况不同，所处位置的不同，光照不同，叶绿素荧光参数数值也会有所不同，所以不同叶片之间叶绿素荧光产量存在着一定的差异。【实验内容与步骤】一、仪器使用步骤讲解 1. 仪器安装连接将光纤和主控单元和叶夹2030-8相连接。光纤的一端必须通过位于前面板的三孔光纤连接器连接到主控单元，光纤的另一端固定到叶夹2030-B上。同时，叶夹2030-B还应通过LEAF CLIP插孔连接到主控单元。 2. 开机按“POWER ON”键打开内置电脑后，绿色指示灯开始闪烁，说明仪器工作正常。随后在主控单元的显示器中会出现PAM-2100的表示。从仪器启动到进入主控单元界面大概要40秒。 3. PAM-2100的键盘 PAM-2100主控单元上有20个按键，现分别简要介绍主要按键的功能。

显微镜的原理和使用方法

显微镜的原理和使用方法-装片的制作显微镜的结构和使用（2）显微镜的成像 ①光源（天然光或人工光源）→反光镜→光圈→物体→物镜（凸透镜）→在镜筒形成物体放大的实像→目镜→把经物镜形成放大的实像进一步放大 ②显微镜放大倍数=物镜放大倍数×目镜放大倍数（3）高倍显微镜的使用 ①用低倍显微镜观察取镜与安放： a. 右手握镜臂，左手托镜座。 b. 显微镜放在实验台的前方稍偏左。对光： a. 转动转换器，使低倍物镜对准通光孔。 b. 选一较大的光圈对准通光孔，左眼注视目境，转动反光镜，使光线通过通光孔反射到镜筒，通过目镜，可能看到自亮的视野。低倍镜观察： a. 把所要观察的玻片标本放在载物台上，用压片夹压住，标本要正对通光孔的中心。 b. 转动粗准焦螺旋，使镜筒缓缓下降，直到物镜接近玻片标本为止（此时实验者的眼睛应当看物镜镜头与标本之间，以免物镜与标本相撞）。 c. 左眼看目镜，同时反向缓缓转动粗准焦螺旋，使镜筒上升，直到看到物像为止，再稍稍转动细准焦螺旋，使看到的物像更加清晰。 ②高倍镜观察 a. 移动装片，在低倍镜下使需要放大观察的部分移动到视野中央。

b. 转动转换器，移走低倍物镜，转换为高倍物镜。 c. 调节光圈，使视野亮度适宜。 d. 缓缓调节细准焦螺旋，使物像清晰 ③注意事项 a. 使用显微镜一定要严格按照取镜→安放→对光→压片→观察的程序进行。 b. 下降镜筒时，一定要用双眼从侧面注视物镜，使之接近装片，但又要防止镜头触及装片。否则会压碎装片和损坏物镜（l0x物镜的工作距离为0. 5-1 cm）。 c. 有必要使用高倍物镜时，必须先在低倍物镜下将目标移到视野的中心，然后换用高倍物镜。因为在低倍物镜下看到的物像放大倍数小，但看到的标本实际面积大，容易找到目标；与低倍物镜相比，高倍物镜下看到的物像人，同样的视野面积看到的标本的实际面积小，在装片不动的情况下，高倍物镜看到的只是低倍物镜视野的中心部分。 d. 换高倍物镜时，千万不可将镜筒升高，正确的做法是直接转动转换器，换上高倍物镜即可。 e. 使用高倍物镜之后，透镜与装片之间的距离很近，使用粗准焦螺旋容易压碎玻片和损坏透镜，或者由于物像一闪而过，找不到要观察的目标．因此，必须用细准焦螺旋调焦，细准焦螺旋只在调节图像清晰度时使用。 ④原理说明 1. 识别镜头：（1）目镜：装在镜筒的上端，通常备有2－3个，上面刻有5×、10×或15×符号以表示其放大倍数，一般装的是10×的目镜。放大倍数越大镜筒越短。（2）物镜：装在镜筒下端的转换器上，一般有2-3个物镜，其中最短的刻有“10×”符号的为低倍镜，较长的刻有“40×”符号的为高倍镜，放大倍数越大镜筒越长 2. 放大倍数：显微镜的放大倍数是物镜的放大倍数与目镜的放大倍数的乘积，如物镜为10×，目镜为10×，其放大倍数就为10×10=100。放大的是物体的直线长度和宽度而不是面积。 3. 工作距离：是指显微镜处于工作状态（物象调节清楚）时物镜的下表面与盖玻片（盖玻片的厚度一般为0.17mm）上表面之间的距离，物镜的放大倍数愈大，它的工作距离愈小。如物镜是10×的工作距离比物镜是40×的工作距离大。 4. 明暗程度：（1）显微镜用光源，自然光和灯光都可以，以灯光较好，因光色和强度都容易控制。（2）反光镜它有平、凹两面，再经通光孔照至标本。可向任意方向转动，凹面镜聚光作用强，适于光线较弱时使用，平面镜聚光作用弱，适于光线较强时使用。（3）光圈或遮光器在通光孔下方，光圈由十几金属薄片组成，其外侧伸出一柄，推动它可调节其开孔的大小，以调节进光量；遮光器由几个直径大小不同的孔组成，选择某一孔以确定进光量。 5. 物像：镜下见到的是完全的倒像，即标本位于玻片右上角时在镜下的左下角位置出现，移动的规律是物象在镜下的左下角时将玻片向左下角移动可以将物象移到视野的中央来。但是物体的运动方向不变，即标本中细胞质是顺时针方向流动的，镜下仍为顺时针流动。 6. 污物的位置：在视野中常看到污物，要明确污物不会在反光镜上，因为反光镜的作用是将光源光线反射到玻片标本上；确定污物的位置首先移动玻片如污物随之移动即污物在玻片上；如污物不动，再转动目镜污物也随之转动即污物在目镜上；否则在物镜上。 7. 普通光学显微镜下可以见到的细胞结构有：细胞壁、细胞核、液泡、叶绿体、线粒体、核仁，在质壁分离时可见到细胞膜，有丝分裂时可见到染色体。 8. 玻片标本：必须是透明的，要使光线能透过标本部。常用的种类有切片（洋葱根尖纵切片）；装片（洋葱表皮临时装片）；压片（洋葱根尖临时压片观察有丝分裂）；涂片（血涂片、自生固氮菌的临时涂片）。 ⑤相关原理例析

超分辨荧光显微技术原理

2014 年的诺贝尔理综奖颁发给了“超分辨荧光显微技术”。也许接下来的几天，媒体会关注 Stefan Hell、Eric Betzig 二人的传奇经历，或者另一名华人女科学家与该奖项失之交臂的遗憾。但是八卦之外，这项成果背后的科学本身也非常有意思。这里面有三个关键词：“超分辨”、“荧光”和“显微技术”，我希望能够解释清楚以下几个问题，尤其是后两个问题： 1. 为什么需要（光学）显微技术？ 2. 为什么光学显微镜的分辨率存在理论极限？ 3. 用怎样的方法可以突破这个理论极限以达到“超分辨”？为什么这个理论极限可以被突破？ 5. 为什么非得是荧光显微技术，而非普通的明场（透射光）显微技术？ 1. 采样定理与显微镜我们用肉眼观察或者用相机拍摄一个物体时，物体上的每一个细微的点都会在眼睛的视网膜或是相机的感光芯片上成像。那么我们为什么不能看到细菌等微小的东西，为什么不能把照片无限放大以看清远处树木上面的每一片叶子呢？这个问题的答案比较简单：因为组成视网膜的每一个感光细胞（视杆细胞和视锥细胞）、相机芯片上的每一个感光元件（CCD、CMOS等）都是有大小的。比如视网膜中央凹区域的视锥细胞直径平均约为 5 微米。而由于奈奎斯特-香农采样定理的限制，视网膜上能分清的两个相邻像点的距离是视锥细胞直径的两倍，即 10 微米。再结合眼球的构造，大致可以推断出，在距离眼睛 25 厘米的位置，我们能分辨物体上相距为 80 微米的两个点，换算成点阵密度就是大约 320 ppi，这也是苹果所谓“视网膜屏”分辨率的来历。如果要观察小于 80 微米的物体，比如细菌，就需要先将物体放大，再用眼睛或者相机观察。现代光学显微镜的构造其实非常简单，样品放置在物镜的焦点处，从样品上发射或散射的光经过物镜变成平行（准直）光，再经过一个结像透镜，然后会聚到相机的感光芯片上成像。按照前面的方法来推算，要区分物体上相距为 200 纳米的两个点，如果使用科研级相机，比如最近火起来的 sCMOS 相机（每个感光像素尺寸为 6.5 微米），只需要使用放大倍率为 65 倍的物镜就足够了。那么是否可以通过提高物镜的放大倍率来观察低于 200 纳米的物体，比如细胞里面微管呢？答案是不可以。 2. 光学衍射极限由于光是一种电磁波，具有衍射和干涉的特性。

设备名称、技术参数及功能要求

设备名称、技术参数及功能要求一、荧光3D澄清显微镜（全电动）技术参数及功能要求：（一）设备用途主要用于获取清晰的高质量的以及超高分辨率的共聚焦荧光图像，可用于观测固定细胞，活细胞，动植物组织的深层结构，得到清晰锐利的多层Z平面结构（光学切片）。其配置需要满足以下技术规格。（二）．技术规格 1.激光器部分 1.1激光器：采用单模保偏光纤，典型动态范围≥10000:1；直接调制≥500:1 －固态激光器405nm：额定功率≥15mW；－固态激光器488nm：额定功率≥25mW；－固态激光器561nm：额定功率≥25mW；－固态激光器640nm：额定功率≥15mW； 1.2软件可以直接调节所有激光器开关以及强度，并具有15分钟未使用自动进入关机状态（Switch off）功能。 2.扫描检测模块 2.1共聚焦扫描检测单元与显微镜一体化设计，荧光检测器与扫描头直接耦合，无光纤连接，保证系统的稳定性与荧光信号的光学效率，达到最佳的成像信噪比； 2.2共聚焦针孔采用复消色差校正，调节范围≥0-10AU（Airy Unit），保证荧光共定位实验的准确性； 2.3检测器数量：荧光检测器个数：≥3个；透射光检测器≥1个。 2.4荧光检测器类型：3个光谱型检测器，检测范围调节精度≤1nm；其中，PMT检测器≥2个，32个磷酸砷化镓（GaAsP-PMT）组成的高灵敏度阵列超高分辨率探测器≥1个； 2.5主分光方式：≤10度小角度入射二向色镜分光或AOBS分光，提供更好的激光压制效率，满足OD值≥6-7； *2.6光谱分光：利用可变次级二色分光镜分光或光栅分光技术，光谱扫描分辨精度（最小光谱检测范围）≤1nm。 2.7采用X、Y轴独立的双镜扫描，采用超快线扫及帧飞回技术。具有高光谱效率与扫描速度，扫描方式为绝对线性扫描运动，在样品扫描成像时每个点之间的扫描时间相等，最大程度的保持样品状态，可以最大程度的还原真实的实验结果；回转时间短，>85%的帧时间（frame time）有效地用于图像采样，在线扫描占时比≥80%。 2.8扫描方式：xy，xyz，xyt，xyzt，xz，xt，xzt，xλ，xyλ，xyzλ，xytλ，xyztλ，xzλ，xtλ，xztλ，直线扫描，剪切扫描； *2.9在所有扫描方式下，均可以进行≥360°任意旋转扫描线的方向，同时可以变倍以及移动扫描区域的中心。旋转、变倍、移动中心均可以实时（扫描过程中）进行； 2.10扫描光学变倍：在任何扫描速度下都可以同时满足变倍范围0.6x-1x和1x–40x，连续调节；

光学显微镜的工作原理

光学显微镜的工作原理显微镜就是一种精密的光学仪器,已有300多年的发展史。自从有了显微镜,人们瞧到了过去瞧不到的许多微小生物与构成生物的基本单元——细胞。目前,不仅有能放大千余倍的光学显微镜,而且有放大几十万倍的电子显微镜,使我们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。在普通中学生物教学大纲中规定的实验中,大部分要通过显微镜来完成,因此,显微镜性能的好坏就是做好观察实验的关键。一、显微镜的光学系统显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜与聚光器四个部件。广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片与载玻片等。 (一)、物镜物镜就是决定显微镜性能的最重要部件,安装在物镜转换器上,接近被观察的物体,故叫做物镜或接物镜。 1、物镜的分类物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜与浸液物镜;其中浸液物镜又可分为水浸物镜与油浸物镜(常用放大倍数为90—100倍)。根据放大倍数的不同可分为低倍物镜(10倍以下)、中倍物镜(20倍左右)高倍物镜(40—65倍)。根据像差矫正情况,分为消色差物镜(常用,能矫正光谱中两种色光的色差的物镜)与复色差物镜(能矫正光谱中三种色光的色差的物镜,价格贵,使用少)。 2、物镜的主要参数: 物镜主要参数包括:放大倍数、数值孔径与工作距离。 ①、放大倍数就是指眼睛瞧到像的大小与对应标本大小的比值。它指的就是长度的比值而不就是面积的比值。例:放大倍数为100×,指的就是长度就是1μm的标本,放大后像的长度就是100μm,要就是以面积计算,则放大了10,000倍。显微镜的总放大倍数等于物镜与目镜放大倍数的乘积。 ②、数值孔径也叫镜口率,简写NA 或A,就是物镜与聚光器的主要参数,与显微镜的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为0、05-0、95,油浸物镜(香柏油)的数值孔径为1、25。 ③、工作距离就是指当所观察的标本最清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。物

突破衍射极限的超高分辨率成像技术发展(修改)

突破衍射极限的超高分辨率成像技术发展(修改) -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

结课论文题目突破衍射极限的超高分辨率成像的技术进展学生姓名学号学院专业班级二〇一五年十二月

一引言 1.1选题意义光学显微成像具有极为悠久的历史，但一直以来，光学成像一直受到衍射极限的限制而分辨率无法突破200 nm。后来虽然有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备，但是使用光学显微镜可以在活体状态下观察生命体使得其在生物、医学观察方面仍有巨大优势。值得庆贺的是近年来，超高分辨率显微技术的发展使得光学显微成像分辨率达到了20 nm以下。其中德国科学家Stefan Hell、美国科学家Eric Betzig和William Moerner因其在超高分辨率显微技术方面的突出贡献获得了2014年的诺贝尔化学奖。在这篇文章中，我们就简要介绍一下超高分辨率显微技术的发展和应用，并对诸位大师致以敬意。 1.2技术指标显微技术成像优劣一般通过X-Y平面分辨率与Z 轴分辨率大小来判定，分辨率越高数值越小。下表是各种显微成像技术的分辨率指标。

STED显微技术50-70 STED+4技术50 50 PALM技术20 30 3D STORM技术20-30 50-60 dSTORM技术30 50 2D SSIM技术50 3D SSIM技术100 200 电子显微镜 X光衍射仪

二衍射极限衍射极限我们能看到什么看到多小的范围看得有多清楚几百年来，依靠不断进步的科学手段，微观世界正一层层揭开面纱，让人们可以看得越来越“小”，进而可以进行研究。人的肉眼能分辨毫米尺度的物体，再小，就要借助工具。1665年，英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究的光学显微镜，用它观察薄薄的软木塞切片。虎克看到了残存的植物细胞壁，它们一个个像小房间一样紧挨在一起，这就是“细胞”一词的由来。此后，显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，帮助科学家第一次发现了细菌和微生物。那么，光学显微镜是否可以无止境地“放大”下去，让我们想看到多小就能看到多小科学家为此做了很多尝试，最终发现，存在一道法逾越的“墙”—衍射极限。 1873年，德国科学家阿贝提出了衍射极限理论：光是一种电磁波，由于存在衍射，一个被观测的点经过光学系统成像后，不可能得到理想的点，而是一个衍射像，每个物点就像一个弥散的斑，如果这两个点靠得很近，弥散斑就叠加在一起，我们看到的就是一团模糊的图像。阿贝提出，分辨率的极限近似于入射光波长的二分之一(d=λ/2)。可见光的波长通常在380~780纳米之间，根据衍射极限公式，光学显微镜的分辨率极限就在200纳米（微米）左右。如果物体小于微米，你仍旧看到的是一个模糊的光斑。这就是很长一段时间内，光学显微镜的分辨极限——衍射极限。