超高分辨率显微镜技术
如何用光学显微镜观测纳米级别的结构
如何用光学显微镜观测纳米级别的结构光学显微镜是一种常见的工具，用于观测各种物质的结构。
但是对于纳米级别的结构，传统的光学显微镜因分辨率的限制，无法满足观测的需求。
如何用光学显微镜观测纳米级别的结构？下面就让我们一起了解一下。
1、超分辨率光学显微镜的原理和应用超分辨率光学显微镜是一种能够克服传统光学显微镜分辨率限制的新型仪器。
这种显微镜基于新材料和新技术的发展，可以通过改变光学性质，实现超分辨率成像，并开拓了纳米光学学科的研究范围。
超分辨率光学显微镜有很多种类，包括刺激发射荧光显微镜（STED）和正交平面舞台显微镜（OPM），每一种显微镜都应用于不同的场合。
2、准直光学显微镜的优点和缺点准直光学显微镜是另一种观测纳米结构的重要工具。
准直光学显微镜在从普通的光学显微镜到电子显微镜(TEM)的分辨率范围中处于中间位置，具有操作简单、显微镜成本低、样品制备简便的优点。
准直光学显微镜的缺点则是分辨率受限于波长，无法满足超高分辨率成像的要求。
3、原子力显微镜的工作原理和应用原子力显微镜是一种可以用来获得超高分辨率、原子级别的表面形貌信息的仪器。
原子力显微镜的工作原理是基于扫描探针技术，通过电势的作用，在样品表面上测量物理量（压力、摩擦力、磁场等等），再通过对物理量的测量来生成样品表面形态的图片。
原子力显微镜的应用领域包括纳米材料研究、分子动力学研究等等。
4、总结通过以上讨论，我们了解了如何用光学显微镜观测纳米级别的结构。
超分辨率光学显微镜、准直光学显微镜和原子力显微镜是现有的三种观测纳米结构的重要工具。
它们各有优点和缺点，应根据研究需求选择合适的显微镜。
学习掌握这些工具对于纳米科技的发展和实际应用具有重要的意义。
光敏定位超高光学分辨率显微镜系统
通 电气 化；地理信息、空间信息与社交
信 息 系 统 ； 车 联 网 相 关 制 造 与 产 品 安 全 ；车 联 网相 关 实 践 、建 议 与 标 准 ；车 联 网相 关 政 策 、 经 济 与 社 会 影 响 。 作 为跨 多 学 科 、 行 业 的新 兴 技 术 多 领 域 ， 车 联 网致 力 于 将 车 辆 与 各 种 设 备 、 务 和 参 与 者 相 联 接 ，实 现 更 加 智 服 慧 、安全 、高 效 、节 约 、环 保 的 交 通 运 输 与 出行 。
读者服 务卡编号 ０５ ２ 口
行线路巡检 的迫切需求 ， 阳 自动化所 沈
与 东 北 电 网有 限 公 司 合 作 开 展 了“ 高 超 压 输 电线 路 巡 检 机 器 人 技 术 与 系 统 ” 项 目研 究 工 作 。项 目组 解 决 了 ５ ０ Ｖ 超 ０ｋ
高压环境 下机器人 的机构 、 控制 、 驱动 、
Ｎ ｉ Ｃｏ０ Ｍ ｎ１ － ｅＯ ０ ９ ８ ３Ｆ ４热 敏 电 阻 粉 体 ， ｘ
．
并 通 过 ＤＴＴ ， Ｒ Ｆ Ｉ ， Ｅ ，电 ／ＧＡ Ｘ Ｄ， Ｔ Ｒ Ｓ Ｍ 性 能 及 阻 抗 分 析 仪 对 材 料 进 行 了表 征 和 测 试 。研 究 表 明 ， 电 阻率 和 Ｂ 值 可 通过 Ｆ ｅ的含 量 而 调 节 ， 其 有 望 作 为 宽 温 区 热 敏 电阻 材 料 而 使 用 。
光 声 成 像 兼 具 光 学 成 像 对 比 度 与 超 声成 像深 度 的 优 点 ， 当前 生 物 医 学 是 光 学 领 域 发 展 最 迅 速 的 方 向 。 声成 像 光 的 速 度 和 系 统 成 本 是 其 获 得 广 泛 临 床 应 用 的 两 个 关 键 因 素 。 缩 感 知 技 术 可 压
光学显微镜的新技术和应用
光学显微镜的新技术和应用光学显微镜是一种常见的实验室工具，它可以让人们观察到微观世界中棘手的问题和微小的变化。
在科学和医学领域，它发挥着重要作用。
在近年来，光学显微镜的新技术和应用不断涌现，以下是一些相关的主要内容。
一、超分辨率显微镜技术在传统的光学显微镜中，由于光波本身的散射和透过样本的局限性，使得物体的分辨率受到限制。
而超分辨率显微镜则通过巧妙地利用某些特殊效应使得物体的分辨率达到亚纳米级别，大大提高了样本观察的精度。
其中比较重要的一种技术是叫做“STED”技术，这种技术利用特殊的探针和激光，将物体较小区域的光辉限定在更小的尺度之内，然后再通过合适的花样扩展光斑使得样本中的图案被增强和放大。
这种技术丰富了人们对于细胞的结构和功能的理解，对于认知神经学、生物学以及医学的发展都有极大的促进。
二、多光子显微镜技术传统的荧光显微镜需要使用荧光物质或者显微粒子做标记才能实现观测，这些标记物往往在生物样本中的分布和含量会影响样本的生理行为和代谢反应。
而多光子显微镜技术则可以直接通过样本在激光的刺激下自然发射出的光子来实现成像，不需要任何的荧光标记。
这种技术特别适合用在对于比较复杂和难以加标的样本中，例如组织、脑区和胚胎样本中。
这种技术不仅可以非侵入式地观察样本生物学行为，也可以更加深入探讨整个现象的性质和机理。
三、快速成像技术随着大数据时代的到来以及数据处理能力的不断提高，人们对于样本及物体的快速成像需求也随之增加。
而快速成像技术就是在经典的普通光学显微镜中使用高速的探针和电子扫描技术来实现物体非常快速的成像。
这种技术最大的优点就是它可以在高速和快速变化的样本中保持样本斑点清晰且稳定。
它可以应用于关于细胞和组织的生物学研究甚至包括微纳技术领域中的研究。
现在的研究也将发掘表层上的第二层信息，比如物体的纹理和形状信息。
特别是在生物医学领域中，快速成像技术可以帮助医生及时诊断治疗有效性，给减轻疾病带来更快的效果。
提高显微镜分辨率的方法简述
提高显微镜分辨率的方法简述要提高显微镜的分辨率，可以采取以下方法：1.提高光源质量：适当选择和调整显微镜的光源可以提高分辨率。
可以使用高亮度、高聚光性的光源，例如激光或白炽灯。
同时还可以采用准直光线来避免散射，提高图像的清晰度和分辨率。
2.提高镜头质量：选择高质量的显微镜镜头可以显著提高分辨率。
晶体透镜是传统显微镜中常用的镜头材料，但其折射率有限，所以容易产生色差。
近年来，人们研发了一种特殊的镜头材料，超材料，能够有效解决色差问题，提高分辨率。
3.使用高数值孔径（NA）镜头：数值孔径是一个评估显微镜透镜的能力的量：数值孔径越大，显微镜的分辨率就越高。
因此，使用高数值孔径的镜头可以大大提高显微镜的分辨率。
高数值孔径的镜头一般可以捕捉更多入射光线，使得细小结构能够更清晰地呈现在显微镜中。
4.使用准直光源：通过使用准直光源，可以减小入射光线的散射，提高图像的清晰度和分辨率。
准直光源可以通过利用消色差镜来实现，消除色差，提高出射光线的质量。
5.使用成像增强技术：有许多成像增强技术可以进一步提高显微镜的分辨率。
例如，通过将样本固定在抗漂白剂或增强荧光剂中，可以减小影像模糊的程度，提高分辨率。
此外，还可以应用局部放大或局部可见光技术，使得观察对象的局部区域能更清晰地被观察到。
6.使用计算成像方法：计算成像方法是一种通过计算机处理采集的图像以提高分辨率的方法。
通过计算成像方法，可以通过数学算法对采集的图像进行处理，并消除噪声和模糊，从而提高分辨率。
这种方法可以通过多次拍摄同一场景并合成一幅图像，或者通过提取样本的特定信息进行图像重建。
以上是提高显微镜分辨率的一些方法，通过选择适当的光源、镜头和成像增强技术，以及采用计算成像方法，可以有效地提高显微镜的分辨率，使得观察对象的细小结构能够更清晰地呈现在显微镜中。
高分辨电子显微镜与扫描隧道显微镜
高分辨电子显微镜与扫描隧道显微镜高分辨电子显微镜与扫描隧道显微镜是现代科学领域中非常重要的工具。
它们被广泛应用于材料科学、生物学、化学等各个领域，为科学研究提供了重要的技术支持。
这两种显微镜在原理和应用上有一些共同点，但也存在一些区别。
本文将重点探讨它们的原理、应用和未来发展方向。
高分辨电子显微镜（High-Resolution Electron Microscopy，简称HRTEM）是一种使用电子束来观察和分析样品的显微镜。
与光学显微镜相比，电子束具有更短的波长，能够提供更高的分辨率。
HRTEM可以观察到物质的原子排列和晶体结构，因此在材料科学领域中有着广泛的应用。
它可以帮助科学家研究材料的晶格缺陷、晶界和界面等微观结构，从而深入了解材料的性质和行为。
在纳米科学和纳米技术领域，HRTEM也发挥着重要作用。
通过HRTEM，科学家可以观察到纳米材料的尺寸、形状和结构，为设计和制备新型纳米材料提供了宝贵的信息。
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，简称STM）是一种利用量子力学中的隧穿效应来观察和操控样品表面原子的显微镜。
STM是由瑞士物理学家弗兰茨·巴尔扎（Gerd Binnig）和海因里希·罗尔（Heinrich Rohrer）于1981年发明的，为他们赢得了诺贝尔物理学奖。
STM不同于传统显微镜，它不需要光学透镜来放大图像，而是通过在样品表面移动电子束来扫描，并通过隧道电流的变化来重建样品表面的原子结构。
STM不仅能够提供更高的分辨率，还能够在原子尺度上进行操控。
它被广泛应用于表面物理学、纳米技术和生物物理学等领域。
通过STM，科学家可以观察和操控单个原子和分子，研究表面反应、表面吸附和纳米材料等问题。
尽管高分辨电子显微镜和扫描隧道显微镜在原理和应用上有一些不同，但它们也存在一些共同点。
首先，它们都利用电子束来观察和分析样品，因此可以提供更高的分辨率。
超分辨率成像技术在生命科学中的应用
超分辨率成像技术在生命科学中的应用超分辨率成像技术（super-resolution imaging）是指利用计算机算法和机器学习等技术，将低分辨率图像处理成高分辨率图像的技术。
由于分辨率决定了图像中所能表现的最小细节，因此超分辨率成像技术在生命科学中的应用非常广泛。
一、解决生命科学中的问题在生命科学研究中，有许多需要高分辨率成像技术的问题。
例如，纳米胶束在体内的分布情况，细胞内蛋白质与RNA的相互作用，细胞器的构成，甚至是脑神经元的连接等。
而这些问题都需要高分辨率成像技术才能解决。
然而，传统的成像技术，如荧光显微镜（fluorescence microscopy）、电子显微镜（electron microscopy）等，其分辨率通常只能达到100nm以下。
而在现代生命科学研究中，这一分辨率已经无法满足需求。
超分辨率成像技术的出现，使得这些细小的细胞器和分子也能够在显微镜下得到表现。
二、超分辨率成像技术的发展首先，STED（Stimulated emission depletion）技术是最早的超分辨率技术之一，它是通过设计激光束的分布形态，使得样品中部分荧光处于某种退激态，不参与信号的发射，从而达到提高分辨率的效果。
然而，STED技术的局限性较大，不适用于观察深层组织或多细胞组织片段的成像。
因此，随着超分辨率成像需求的不断提高，其他超分辨率成像技术不断涌现。
例如，分子特异性光刻图案（photoactivated localization microscopy，PALM）和随机活体标记的高分辨率成像（stochastic optical reconstruction microscopy，STORM）技术，其原理为先将样品中的荧光分子随机激发上，然后利用计算机算法的拼接和修复，最终使得图像的分辨率进一步提高。
此外，还有球面非对称显微成像技术（spherical aberration microscopy, SAM）和单分子双光子激发（single molecule doublephoton excitation, SMdPx）等，它们的出现进一步扩宽了超分辨率成像技术的应用范围。
超分辨成像技术的新发展
超分辨显微成像技术的新发展马利红引言人类获得信息的主要器官是眼睛，然而靠人眼观察客观事物的空间分辨率的极限约为4´米，客观世界中人眼不能分辨的所有细微结构称为微观世界。
显微成像技术将310-微观过程或结构成放大图像，以便于人眼能够直接观察。
研究微观世界所涉及的学科领域十分广泛，有生物、医学、材料科学、精密机械、微电子学、分子及原子物理、核物理等等，微观世界中细分的微量尺度原则上是无穷的，因而显微学是跨多学科的，其发展也是无止境的。
1665年，Robert Hooke用原始显微镜发现了池塘水中单细胞有机体，它的出现为人类打开了微观世界的大门。
光学显微镜由此成为历代生物学家的主要研究工具之一。
生物学家把显微镜作为一种主要工具来研究生物器官、组织和细胞，由此奠定了细胞学和组织学的基础，并对生物学、遗传学、微生物学、病理学和医学的发展起到了极大的推动作用。
但传统光学显微镜有以下两个主要缺点：(1)受衍射极限的限制，其分辨率与照明波长是同一个数量级，具有一个数值孔径(NA=nsin(q))的传统光学显微镜，分辨极限l，称之为瑞利判据；(2)由于使用的是场光源，观测到的是一个宽视野图像，为0.61/NA从而降低了信噪比，影响了图像的清晰度和分辨率。
随着生物医学、材料科学等的发展对显微提出了更高的要求，不仅希望其具有更高的分辨率，而且能对样品进行无损成像，甚至希望可观察其三维图像。
因此，传统的显微镜已不能满足要求。
电子显微镜的分辨率虽然远高于光学显微镜，但它需要在真空条件下工作，因此很难观察活的生物样品，另外电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。
电子显微镜、的局限以及高分辨显微的需求，迫使人们转向超经典衍射极限的光学超分辨理论和技术研究，利用新原理、新技术、新方法来实现光学高分辨力成像和检测。
第一节基于传统的Rayleigh分辨率意义下的超分辨理论光学系统的空间分辨率是一个非常有用的概念，但是关于它的具体定义和描述却有许多不同的见解。
如何提高显微镜的分辨率
如何提高显微镜的分辨率显微镜是科学研究和实验中经常使用的一种工具，它可以放大微小的物体，使我们能够观察和研究它们的细节和特征。
然而，显微镜的分辨力是一个重要的参数，它决定了显微镜在放大物体时能够分辨多小的细节。
更高的分辨率意味着更清晰的图像和更准确的观察结果。
那么，如何提高显微镜的分辨率呢？以下是一些方法和技术。
1.使用更高的放大倍数：分辨率与放大倍数成正比。
显微镜的放大倍数越高，它所能够分辨的最小细节就越小。
因此，使用更高倍数的镜头可以实现更好的分辨率。
2.使用抗衍射技术：衍射是显微镜分辨率的一个限制因素。
衍射现象会导致光的波动以特定模式散布，从而形成模糊和不清晰的图像。
通过使用抗衍射技术，如改善光学设计、使用不同的光源和特殊的光学元件，可以减少衍射现象，从而提高分辨率。
3.使用近场扫描光学显微镜（NSOM）：NSOM是一种能够实现超分辨率的显微镜技术。
它通过将样本与探测器之间的距离保持在纳米尺度级别，可以获得比传统显微镜更高的分辨率和更详细的信息。
4.使用高数值孔径（NA）物镜：物镜的数值孔径决定了显微镜的分辨力。
数值孔径越高，分辨力越好。
因此，选择具有高数值孔径的物镜可以增加显微镜的分辨率。
5.使用相干光源：相干光源可以提供更高的分辨率。
由于相干光的波前性质，它可以提供更多的波动信息，并产生更多的细节。
6.使用投射透射电子显微镜（TEM）：传统的光学显微镜受到光的衍射而有限制，而TEM使用电子束而不是光束。
电子波长远小于光波长，因此TEM可以提供比光学显微镜更好的分辨率。
7.使用荧光显微镜和标记技术：荧光显微镜结合了特殊的荧光标记技术，可以使显微镜的分辨率得到进一步提高。
通过标记目标物质，然后使用荧光染料的特殊性质，可以提高显微镜的分辨率和对细节的识别能力。
8.使用超分辨率显微镜技术：超分辨率显微镜技术是一种较新的显微镜技术，它可以实现比传统显微镜更高的分辨率。
这些技术包括结构光显微镜、PALM/STORM、STED和SIM等。
超高分辨率场发射扫描电子显微镜JSM-7800F介绍
加速电压 ：1.5kV 工作距离(WD)：2mm 过滤器电压：-1400V 探测器：UED
背散射电子为主
19
Copyright (C) JEOL Ltd., All Rights Reserved.
SHL
②最适合于磁性材料和EBSD分析的电子光学设计
〈应用实例〉
1. 磁性材料分析：Fe3O4 纳米颗粒集合体 2. EBSD晶体取向分析：钕铁硼 3. EBSD晶体取向分析：碳钢
0.25 μm
应用实例3. 碳钢 EBSD 图像
1000倍IQ（图像质量）图像 1000倍 ND方向图像
也适合于磁性材料的高精度晶体取向分析
加速电压：20 kV WD：20mm 探针电流：8 nA 100 nm 步长 样品：碳钢（S25C）直径：32 mm 高度：20 mm 样品制备：金刚石砂轮研磨、胶体二氧化硅抛光
应用实例1. 碳上的镀金颗粒
极低加速电压图像 80 V JEOL Only
JSM-7800在80V的电压下也能观察高品质的图像 通过观察样品表面可以进行纳米结构的分析
8万倍
12万倍
16
Copyright (C) JEOL Ltd., All Rights Reserved.
应用实例2.
石墨烯
极低加速电压图像 80 V
out-lens
稳定度・重现性 高加速 分辨率
观察 磁性 材料
EBSD EDS/WDS
低加速 分辨率
低倍率观察
低倍率观察
13
Copyright (C) JEOL Ltd., All Rights Reserved.
超级混合式物镜(SHL)的功能评估
超级混合式物镜 semi-in-lens
提高显微镜分辨率的方法
提高显微镜分辨率的方法显微镜是一种非常重要的科学仪器，它能够让我们观察微观世界中的细胞、原子等微小物体。
然而，显微镜的分辨率是有限的，这意味着我们无法观察到距离非常近的物体或者非常小的细节。
为了提高显微镜的分辨率，科学家们开发了许多方法，下面我们将介绍其中一些方法。
1. 提高光源的亮度显微镜的分辨率受到光的波长限制，因此提高光源的亮度可以使得分辨率得到提高。
现代显微镜通常采用高亮度的光源，如氙灯或LED灯，来取代传统的白炽灯。
2. 使用抗反射涂层反射是显微镜图像模糊的主要原因之一。
为了降低反射，科学家们开发了抗反射涂层。
这种涂层可以减少镜片表面的反射，从而提高显微镜的分辨率。
3. 使用高质量的物镜物镜是显微镜中最重要的部件之一，它直接影响到分辨率的大小。
使用高质量的物镜可以减少光的散射，从而提高分辨率。
现代显微镜通常采用具有高数值孔径的物镜，这种物镜能够收集更多的光线，从而提高分辨率。
4. 使用光学调制技术光学调制技术是一种通过改变光的相位来改善分辨率的方法。
这种技术可以通过将光线传递通过一系列的透镜和光学元件来实现。
利用光学调制技术，科学家们可以使得显微镜的分辨率达到奈米级别。
5. 使用超分辨率显微镜超分辨率显微镜是一种新型的显微镜，它可以通过将样本置于激光束中，然后使用计算机算法将激光束反射回来的信号转换成图像。
这种显微镜可以实现非常高的分辨率，甚至可以观察到原子级别的细节。
总结通过提高光源亮度、使用抗反射涂层、使用高质量物镜、光学调制技术和使用超分辨率显微镜等方法，可以显著提高显微镜的分辨率。
这些方法的应用不仅可以使得显微镜成为更加强大的科学仪器，也有助于推动微观世界的研究。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
超高分辨率显微镜技术
为了更好地理解生命过程和疾病发生机理，生物学研究需要观察细胞内器官等细微结构
的精确定位和分布，阐明蛋白等生物大分子如何组成细胞的基本结构，重要的活性因子如何
调节细胞的主要生命活动等，而这些体系尺度都在纳米量级，远远超出了常规的光学显微镜
（激光共聚焦显微镜等）的分辨极限。为了解决生命科学研究面临的这一难题，超高分辨率
显微技术应时而生，并且一经问世就得到了广泛的响应，2008年Nature Methods将这一技术
列为年度之最。
为了达到纳米量级的分辨率和极快速的成像，超高分辨率显微镜引入了许多突破时代的
创新技术，了解这些技术将带领我们走入超高分辨率显微镜的奇妙世界。
3D-SIM(结构照明技术):
荧光样品通过不同方向和相位的光源照射，并且在成像后利用特点的运算方法重构，产
生突破光学极限的超高分辨率图像。
完全兼容现有荧光分子和荧光染料、不改变任何实验流程
轴向分辨率提高到80-120nm，空间分辨率提高到激光共聚焦显微镜观察极限的8
倍。
搭载3D-SIM技术的DeltaVision OMX超高分辨率显微镜已经成功运用到了很多样品，比如
微生物、脊椎动物细胞、组织切片甚至整个胚胎等。大大提高的分辨率在鉴定和研究亚
细胞结构中成效显著，比如对微管和肌动蛋白的观察中可以解析到单根微管纤维。
Monet (单分子成像与定位技术):
通过在极短时间内对单个或几个荧光分子的激发和获取发射光信号，上千次获取后
重构图像，从而获得突破百纳米极限的超高分辨率图像。这种技术需要使用独特的光敏
蛋白来做荧光染料，通过独特的算法可以分辨衍射极限上重叠的荧光团位置。
搭载PALM的DeltaVision OMX可在极短时间内完成图像获取和重构
能够处理极大密度的图像，使高浓度标记的和更高激活能量的样品的成像变成
可能。
超高速成像：
研究者对于成像速度进入“亚秒时代”的需求已经十分的迫切。以往的速度瓶颈主要在
曝光时间以及CCD成像速度，利用高效光路和改进的新型照相机，大大提高了成像速度。
DeltaVision OMX可同时观察四个荧光通道。
每个荧光通道的成像速度达到了前所未有的200帧/秒 （512×512像素，5ms
曝光）。
这种惊人的使细胞内超快速过程的观察成为可能。研究人员能够在三维空间内追踪活细
胞内的标记蛋白，而分辨率接近分子水平。这意味着使用者可以开始回答新型的研究问题，
如细胞中的某些结构如何工作，它们如何相互作用，以及事件持续多长时间。
超高分辨率显微镜问世以来，得到了研究者的强烈响应，自2008年9月问世的佼佼者
DeltaVision OMX，已有几十台安装在哈佛医学院、耶鲁大学、MIT、冷泉港、牛津大学等世
界顶尖研究机构，帮助科研工作者取得一系列重大科研成果并发表在Nature、Cell、Science、
Neuron等顶级刊物上。比如加州大学戴维斯分校的Hsing-Jien Kung教授领导的生物光子学科
学技术中心（CBST）的生物医学科研人员近来使用这种工具首次对活的肿瘤细胞内部的纳
米尺寸的区室的运动进行了成像。这些区室捕捉细胞器和高分子从而提供给溶酶体，它们是
一个称为自噬的细胞间回收过程的关键组成部分。Kung认为高分辨率、活细胞成像技术的
开发可以让我们加快对这种难以捉摸的过程的理解，为自噬调控剂的开发铺平了道路。相信
不久的将来，超高分辨率显微镜将会带来整个细胞生物学的革命。