激光扫描共聚焦显微镜(研究生教学课件)

面向研究生的激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)系统教学课件,79 页 PPT 风格,覆盖发展历史、成像原理、硬件组成、使用步骤、基本功能、生物医学应用六大模块。 来源:bingdian001.com 水印,PDFlib Lite 7.0.5p3 生成,横向 1080×810 pts。


一、发展历程与现状

关键时间节点

年份事件意义
1957Marvin Minsky 提出共聚焦原理核心理论基础
1978Brandengoff 在高数值孔径透镜装置上改装成功,得到高清晰度共聚焦显微镜硬件落地验证
1982BIO-RAD 公司第一个推出商品化激光扫描共聚焦显微镜进入商业化阶段
1985Wijnaendts Van Resandt 发表第一篇 LSCM 在生物学中应用的文章开启生命科学应用
1987发展出现代意义上的第一代激光扫描共聚焦显微镜技术形态成熟

主流品牌与型号(12 款)

品牌仪器名称型号
美国 BD高通量活细胞共聚焦分析系统 400 系列Pathway415、Pathway435
美国 BD高通量活细胞共聚焦分析系统 800 系列800 系列
美国 BD全光谱活细胞共聚焦高速扫描系统CARV Ⅱ
尼康 Nikon共焦显微镜C1 / C1-plus
徕卡 Leica共焦激光扫描显微镜TCS-SP2
奥林巴斯 OLYMPUS激光共聚焦显微镜FV300 / FV1000
PerkinElmerUltraView™ 高速扫描型激光共聚焦系统UltraView™
GE Healthcare高通量共聚焦显微细胞图像分析测定系统IN Cell Analyzer 3000
德国耶拿时间分辨激光共聚焦显微成像系统TauMap
蔡司 ZEISS激光共聚焦显微镜LSM 510 / LSM 510 PASCAL

代表产品特点

  • 奥林巴斯 FluoView™ FV1000:两套独立扫描模块整合,一束激光做实验刺激、另一束实时扫描成像,完整记录动态变化
  • 美国 Meridian ACAS uLTIMA 312:同类最高档次,扫描速度达 120 幅/秒,实时真彩色原色图像
  • BIO-RAD Radiance 2100(第七代):全世界唯一无需人工调整的激光扫描共聚焦显微镜

FV1000 活细胞成像系统四大核心性能

特性关键指标
高灵敏度离子沉积滤光片高效荧光检测 + 全新高灵敏度检测系统
高速度256×256 下 16 帧/秒(4000Hz);光谱扫描 100nm/毫秒
高精度2nm 光谱波长分辨率,线性光谱分布;激光强度反馈系统稳定激发
激光光刺激SIM 同步扫描器实现刺激与成像同时进行,波长覆盖 UV 到 IR

二、成像原理及组成

基本定义

激光扫描共聚焦显微镜(Laser Scanning Confocal Microscopy, LSCM) 以荧光显微镜成像原理为基础,加装激光扫描装置,使用紫外光或可见光激发荧光探针,通过计算机图像处理,得到细胞或组织内部微细结构的荧光图像。可在亚细胞水平观察 Ca²⁺、pH、膜电位等生理信号及细胞形态变化。

应用领域:细胞生物学、生理学、病理学、解剖学、胚胎学、免疫学、神经生物学。

五大组成模块

  1. 激光光源 — 激发光来源
  2. 扫描器 — 激光扫描偏转 + 荧光信号收集中转
  3. 荧光显微镜系统及样品台 — 光学聚焦 + 样品承载
  4. 图像存储及处理系统 — 信号输出与处理
  5. 计算机控制系统 — 总控中枢,统一调控所有模块

光路:激光源 → 扫描器 → 显微镜系统(样品)→ 扫描器 → 图像处理系统 控制流:计算机控制系统 → 所有模块

共聚焦 vs 普通光学显微镜

维度激光扫描共聚焦显微镜普通光学显微镜
光源激光光源(点光源)场光源
成像原理共轭聚焦原理和装置焦外杂光干扰
图像处理计算机数字图像处理分析系统照相
核心优势光学层切、三维重建、高分辨率结构简单、成本低

共聚焦核心原理

共聚焦针孔(Confocal Pinhole) 是核心元件:位于与样品焦平面共轭的位置,仅允许焦平面的荧光通过,阻挡焦外杂散光,实现”光学层切”效果。

  • 焦点内光线(实线):准确会聚在针孔处,通过针孔到达检测器
  • 焦点外光线(虚线):无法会聚在针孔平面,被针孔挡板阻挡

别名:光学切片 / 细胞CT — 通过载物台升降(Z 轴移动)获得不同深度断层图像,整合重建三维结构。

完整光路(11 个核心部件)

编号部件功能
01Fiber (from laser source)光纤导入激发光
02Collimator准直镜,校准为平行光束
03Main dichroic beamsplitter*主二向色分光镜,反射激发光、透射荧光
04Objective物镜,聚焦 + 收集荧光
05Specimen样品
06Pinhole共聚焦针孔,阻挡焦外杂光
07Emission filter*发射滤光片,筛选目标荧光
08Detector探测器(PMT),光→电信号
09Scanning mirror扫描振镜,XY 平面扫描
10Scanning optics扫描光学系统
11Focal plane焦平面

*标记为用户可自行更换的组件


三、硬件系统详解

(一)激光光源

  1. 激光谱线 — 波长、光谱宽度等核心光学属性
  2. 激光器开闭和电压调节 — 基础控制
  3. 激光强度回馈稳定电路设计 — 反馈调节保持输出稳定
  4. 辅助设备 — 散热、电源、保护装置等

常用激光器参数表

波长 (nm)功率 (mW)激光器类型
32510~30氦镉 (He-Cd) 激光
351300带紫外的水冷式氩离子激光
364>20风冷氩离子激光 (Ar-ion)
44211氦镉激光
457~51425小型氩离子激光
5431.25绿氦-氖 (He-Ne) 激光
63033外谐振器半导体激光
6303碰撞脉冲染料激光
6323.5氦-氖激光
700~11002000蓝宝石激光
11521氦-氖激光

(二)扫描器

四大组成部分:

  1. 针孔光栏(pinhole) — 阻挡焦外杂散光,实现光学层切
  2. 分光镜(二向色镜) — 分离激发光与荧光
  3. 发射荧光分色镜 — 多通道荧光分光检测
  4. 检测器 — 光电倍增管(PMT)等,光信号→电信号

扫描方式

方式原理优缺点
光束扫描振镜摆动改变激光方向速度快,适合活细胞动态成像
台阶扫描样品台移动精度高,适合大视场拼接

(三)荧光显微镜系统配套要求

  • 汞灯光线强度可调
  • 荧光显微镜参数与光路系统、计算机控制软件系统匹配
  • ≥4 位显微镜荧光滤色片组,置换方便,覆盖紫外和可见光波长

(四)计算机系统

控制硬件的软件功能:

  1. 控制电动显微镜
  2. 选择激光波长,调节激光强度
  3. 拍摄 2~5 维图像
  4. 选择光谱拍摄范围、分辨率、激发光挡片位置

四、荧光基础

荧光激发原理

单光子激发:吸收 1 个高能量短波长光子 → 电子跃迁到激发态 → 无辐射弛豫 → 发射长波长荧光 多光子激发(双光子):同时吸收 2 个低能量长波长光子 → 到达同一激发态 → 发射相同荧光

多光子优势:组织穿透深、光毒性低、更适合厚样本/活体长时程成像

荧光光谱

  • 激发光谱(Excitation):固定发射波长,扫描不同激发波长下的荧光强度 → 最佳激发波长
  • 发射光谱(Emission):固定激发波长,扫描不同发射波长下的荧光强度 → 最强发射波长
  • 斯托克斯位移(Stokes shift):发射波长总是大于激发波长(能量损失)

荧光探针分类(9 大类)

  1. 蛋白质、单糖和多糖探针
  2. 细胞器探针(线粒体、内质网、溶酶体等)
  3. 核酸探针(DNA/RNA)
  4. 细胞活性探针(存活/增殖/凋亡/坏死)
  5. 膜和受体探针
  6. 细胞膜电位和细胞内 pH 探针
  7. 金属探针(Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺ 等)
  8. 分子的特殊基团结合探针(巯基、氨基等)
  9. 其他

光谱交叉干扰(Crosstalk)

产生条件:同时使用两种及以上荧光探针,发射峰位置接近,光谱部分重叠 定义:一种荧光探针的信号扩散进入另一个探针的检测通道,造成干扰 典型案例:HO33258(蓝)、FITC(绿)、TMR(红)三色荧光发射光谱存在重叠区域


五、仪器使用步骤

  1. 选择激光器类型 — 根据荧光探针的激发波长选择
  2. 选择相应的滤片 — 匹配激光和荧光探针的发射波长
  3. 根据实验目的选择适当软件 — 成像类/定量分析类等
  4. 按软件要求设置有关参数,进行观察和分析 — 参数设置 → 实验观察 → 数据分析

逐层采集原理

  • (a) 单层扫描:XY 平面逐点扫描,获得单焦平面荧光图像
  • (b) 层叠采集:沿 Z 轴移动焦平面,依次采集不同深度断层图像 → 用于三维重构

六、基本功能与观察方式

八种显微观察方式

观察方式特点与适用场景
明场观察最基础,依靠光吸收/遮挡形成反差,适合染色样本
微分干涉(DIC/Nomarski)光干涉效应,浮雕立体感,适合未染色透明活细胞
暗场观察仅收集散射光,背景黑暗,适合微小生物、细菌、纳米颗粒
相差观察相位差→明暗反差,特征性亮边/晕环,活细胞培养常用
偏光观察检测双折射结构,适合晶体、纤维、硅藻、矿化结构
荧光观察荧光特异性标记,背景黑暗,细胞生物学核心技术
DIC/相差彩色成像相位差→彩色反差,增强结构辨识度
3D 重建逐层扫描+软件重构三维结构,研究空间形态

共定位成像

三重荧光 + 透射光共定位:将多种荧光通道的标记结果与透射光形貌叠加,既能识别特定目标结构,又能明确其在整个样本中的位置关系。常用于染色体核型分析、荧光原位杂交(FISH)、蛋白共定位研究。


七、生物医学应用

应用领域

  • 细胞生物学:细胞骨架、细胞器、蛋白定位与转运
  • 分子生物学:基因表达、核酸定位、FISH
  • 神经生物学:神经元形态、神经环路、突触结构、AD 等神经退行性疾病病理
  • 免疫学:免疫细胞定位、细胞间相互作用
  • 生理学:Ca²⁺ 信号、pH、膜电位等生理信号动态检测
  • 病理学:病理组织切片分析、肿瘤细胞研究
  • 发育生物学:胚胎发育、细胞分化、三维形态建成

研究案例:阿尔茨海默病

AD 患者海马 CA1 区神经原纤维缠结(NFTs)存在不同分子亚群:

  • 423 抗体(蓝):识别一种异常磷酸化 tau
  • Tau-66 抗体(绿):识别另一种修饰/构象的 tau
  • Thiazin red(红):结合 β-折叠结构的成熟缠结
  • merge 合并图:不同颜色组合证明存在不同分子特征的 NFT 亚群

关联笔记