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共聚焦光学切片厚度

采用共聚焦显微镜对较厚的样品进行光学切片。最直接的问题是:1。什么是“比较厚的样本”和2。光学切片到底有多厚?这两个问题在某种意义上是相关的,即一个厚样本被假定至少比光学切片厚10倍。

生物学中的样品可以具有从10米(整个动物)到10纳米(ultracut prep用于电子显微镜)的任何厚度。作为共聚焦显微镜是一种入射光方法,样品本身的尺寸可以是几厘米或更大,但表面下方的渗透深度取决于材料的不透明度和物镜的自由工作距离。这将样本大小(Z方向)的考虑限制为最多的一些毫米。

光学切片的决定因素是衍射极限轴向聚焦尺寸。根据不同的参数,真共聚焦扫描显微镜的光学切片厚度可达约0.5微米。对于0.5µm的切片,厚样本至少为5µm。用于标准共聚焦应用(例如组织切片)的样本的一个非常典型的数字是50µm。

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3D点传播功能(PSF)和全宽半最大(FWHM)

由光学系统创建的点(点)的图像称为“点扩展功能”(PSF)。点扩散功能描述了源于尺寸尺寸点的三维三维的分布。该衍射图案的核心具有椭圆形,并控制光学分辨率。径向尺寸规则规则横向分辨率;轴向尺寸规则缩放焦深,因此切割性能。

对于共焦切片,目标是仅传输PSF的内核,其定义光学部分。事实上,针孔直径控制了传输核心外部的光线。因此,在衍射图案的尺寸范围内的光学部分显然不会像一片面包一样锐尖,但是通过相对平坦的斜率为特征。连接强度分布两侧的50%强度的Z的距离称为“全宽半最大”(FWHM),并且通过惯例,这被用作光学部分厚度的量度。通常通过聚焦通过在Z中模拟无限薄结构的表面镜来测量光学切片性能。这种方法是(相对的)容易,用于检查共聚焦显微镜系统的性能。或者,使用含氟胶质乳胶珠(参见图1)测量Z切片性能。荧光珠允许在非相干条件下测量的性能,这对于荧光成像是真实的,因此符合生物医学科学中的绝大多数共焦应用。188bet怎么注册与荧光模式中的截面相比,反射光模式(镜子)中的衍射限制光学部分显着更薄。如果比较文献中的数字,请记住这一点非常重要。

控制光学部分厚度的参数

在理想条件下,可以达到的最薄的截面只取决于光学衍射的限制。最明显的是波长,它成比例地控制着PSF的大小:波长越短,薄片越薄。我们可以假设激发光的波长受到限制(而不是发射光的波长),因为在被照亮的空间之外不会有发射。第二个参数是物镜的孔径(数值孔径,NA): NA越高(收集信息的角度越宽),光学截面越薄。此外,样品的折射率影响轴向分辨率,从而影响切片性能。切片大小dz与这些参数的关系由公式图2给出。

第三参数是检测路径中的针孔直径,其假设为上述公式为零。因此,该公式给出了最佳值,可以预期荧光成像 - 当然是理论兴趣:零直径的针孔不会产生明亮的图像!

关于光学截面厚度的关键评论

数值孔径NA对切片厚度有显著的(1/平方)影响。psf的径向扩展线性依赖于NA。因此,对于低na透镜,PSF核心变得很长,切片很厚。因此,大多数应用程序使用NA > 1浸没透镜,其中xy和z尺寸的比率接近2倍。根据经验,高na镜头的z部分分辨率大约是xy的两倍。

理论考虑有助于估计光学系统的性能。实际上,仪器和样本都引入了与计算的数字的偏差。必须仔细调整仪器以获得最佳性能。而样本本身就是解决方案的敌人,特别是如果谈到更深的成像。因此,必须进行极端护理,必须采用折射率匹配,正确和恒定的温度和适当的盖玻片选择。该理论将提供一项经验法则,但样品和设置可能会引入显着的偏差 - 通常是不可避免的,因为生物样品比晶体( - 或真空)更复杂。

参考文献

  1. Sheppard CJR:扫描光学显微镜。在:晶圆R和Cosslett Ve(EDS),光学和电子显微镜10(1987)的进步。学术出版社,伦敦英国。
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  5. 细胞生物学中的光学成像技术。Taylor & Francis, Boca Raton USA(2007)。

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