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宽场荧光显微镜加装结构照明转盘实现光学切片

浏览次数:36 发布日期:2026-9-23  来源:北京欧浩科技有限公司

关键词:光学切片,结构照明,宽场荧光显微镜

一、引言:显微镜还好用,缺的是光学切片

很多实验室都有一台配置不错的宽场荧光显微镜:物镜齐全、电动载物台、科研级相机和 LED 光源一应俱全。它的短板在于没有光学切片能力,拍摄组织切片、类器官或较厚的细胞团时,焦外模糊光会把目标结构淹没。整机更换为共聚焦意味着重复购置物镜和机架,也意味着放弃已经熟悉的工作流程。

另一条思路是在现有显微镜上“加装”切片能力。Aurox Clarity 就是这样一种模块:它通过标准 C 口安装在显微镜的相机口上,前端接显微镜,后端接相机和光源,用结构照明转盘实现免激光的光学切片。本文介绍其原理、加装前的兼容性核对、典型用途、局限与维护要点。

图1 Clarity 模块(左下白色机身)安装在倒置荧光显微镜的侧方相机口,外接相机位于模块左端。图片来源:Aurox Clarity 产品资料(宣传册,2024)。

二、原理:一张条纹盘,两幅图像

图2 孔径相关(结构照明转盘)原理示意,非真实光路比例。图片来源:北京欧浩科技根据 Wilson 等(1996)与 Hussain 等(2022)绘制。

Clarity 采用牛津大学 Tony Wilson 团队 1996 年报道的“孔径相关”方法(图2):

  1. 旋转盘上刻有透光与反光等宽交替的平行条纹,约一半面积透光,因此 LED 或金属卤素光源即可满足照明需要;
  2. 条纹经物镜投射到样品上,只在焦平面清晰,焦外区域接近均匀照明;
  3. 返回的荧光再次经过盘面:焦面信号与条纹对齐,主要透过(T 像);焦外信号已被模糊,在透过与反射(R 像)之间大致平分;
  4. T、R 两幅像成像在同一台相机芯片的左右两半,经配准后,T−R 得到切片像,T+R 得到宽场像。

Clarity 的盘上有三种疏密不同的条纹区:条纹越细,切片越薄,但对比度和信号越低,作用类似点扫描共聚焦中的针孔大小(Hussain 等,2022)。另有宽场旁路,可将盘完全移出光路。官网给出的切片能力可调至约 0.6 μm(FWHM,1.4 NA 油镜)。需要说明,结构照明在这里用于去除焦外模糊,不提高横向分辨率(Manton,2022)。

图3 同一视野的切片像(左,Confocal)与宽场像(右,Widefield):焦外雾状背景在切片像中基本被去除。厂家未注明样品与成像参数,仅作效果示意。图片来源:Aurox Clarity 产品资料(宣传册,2024)。

三、选型要点:加装前的兼容性核对

加装能否顺利,取决于现有设备是否匹配。建议逐项核对下表(依据 Aurox 官网公开信息整理):

核对项 需确认的内容 官网信息
显微镜与接口 机型、相机口位置(左/右)、是否为标准 C 口 标准 C 口,配适配环/垫圈;可装于正置、倒置显微镜,也支持体视镜与宏观镜;列出尼康、徕卡、奥林巴斯、蔡司等多款机型
安装空间 相机口外侧是否有足够空间和承重 308×226×135 mm,约 6 kg
相机 现有相机型号是否在支持列表内,靶面是否足够大 支持多款大靶面 sCMOS/CCD,如 Hamamatsu、PCO、Photometrics、Andor、Tucsen 等
光源 现有光源类型与接口 适用于 LED 和金属卤素光源,列出 CoolLED pE-800、pE-4000;其他光源需先确认
滤光片 常用染料与激发/发射波段 内置 4 位滤块转塔,可徒手更换,含四带通滤块,可定制;激发 370–700 nm,发射 410–750 nm
Z 轴与软件 是否有电动对焦或压电 Z 台,采集软件选择 列出多款 Z 驱动;软件可选 Visionary 或 VisiView
速度需求 所需帧率与视野 标准版最高 50 帧/秒,HS 版最高 100 帧/秒(需兼容的高速相机与电脑)

需要注意,帧率与所配相机、像素合并和视野大小直接相关。一份较早的官方技术资料写明,全幅(2.3 MP)共聚焦约 22 帧/秒,2×2 像素合并后才达到 50 帧/秒。物镜方面,切片厚度与数值孔径密切相关,高数值孔径油镜或水镜更能发挥切片能力。

四、典型用途:文献中怎么用

在 Europe PMC 全文库中,方法部分写明使用 Clarity 的论文有二十余篇,大致包括:

  • 组织与整器官拼图:果蝇中肠的区域化表型分析(Viitanen 等,2021)、帕金森模型小鼠脑片胶质细胞定量(Nakos Bimpos 等,2024)。
  • 离体组织与功能成像:加压肠系膜动脉的钙成像(Lee 等,2025)、小鼠心肌细胞中的扩散屏障研究(Deisl 等,2023)。
  • 方法学平台:Hussain 等(2022)在 Clarity 前加装变形镜,实现无波前传感器的自适应光学校正(图4)。

图4 Clarity 三种切片档位(低/中/高)下,自适应光学校正前后的果蝇神经肌肉接头图像(比例尺 10 μm):切片越强信号越弱,校正像差可明显恢复信号。图片来源:Hussain SA 等,J Microsc 2022,Figure 4,CC BY 4.0。该文通讯作者声明与 Aurox 公司存在利益关系。

其中,Deisl 等用 40×/1.15 NA 水镜测得点扩散函数半高宽横向约 0.7 μm、轴向约 1.6 μm,并与激光转盘共聚焦拍摄同一切片做了定性比较。这类比较由作者自行完成,所用物镜不同,只能作为参考。

五、局限

  • 切片与信号的权衡:条纹越细切片越好,但信号越弱,弱荧光样品需要更长曝光(见图4)。
  • 相减带来的噪声:T−R 去掉了焦外光的平均亮度,但去不掉其散粒噪声,背景越强,切片像信噪比越差。
  • 深度与像差:在厚的散射组织中条纹迅速模糊,样品像差也会削弱切片,不能替代多光子等深层成像手段。
  • 整机性能取决于短板:成像质量受原显微镜物镜、相机和光源影响,规格表数值是理想配置下的结果。
  • 环境需另配:模块本身不提供活细胞培养环境,长时程活细胞实验需另配孵育装置。

六、维护要点

  1. 配准检查:T、R 两幅像需精确配准,模块内设有校准光路;移动或重新安装后应按厂家流程重新校准。
  2. 接口防尘:C 口、相机接口和滤块门保持清洁,更换滤块时避免手指接触光学面,不用时盖好防尘盖。
  3. 光源:LED 或金属卤素光源按光源厂家建议维护;免激光,日常通常无激光安全管理负担。
  4. 数据:软件输出 OME-TIFF 等格式,依赖外接电脑存储,应制定定期备份策略。

七、小结

对于已有良好宽场荧光显微镜的实验室,加装结构照明转盘模块是获得光学切片能力的一条低改动路径:原有物镜、相机、光源和载物台可继续使用,三档切片与宽场旁路便于按样品在信号与切片之间取舍。它不替代激光共聚焦在光操控、光谱拆分和深层成像方面的作用,加装前应完成兼容性核对,并用自有样品在拟加装的显微镜上实测。

如需在样机上用自有样品测试,可提前预约。


参考文献

[1] Wilson T, Juškaitis R, Neil MAA, Kozubek M. Confocal microscopy by aperture correlation. Opt Lett. 1996;21:1879–1881. doi:10.1364/OL.21.001879

[2] Neil MAA, Juškaitis R, Wilson T. Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope. Opt Lett. 1997;22:1905–1907. doi:10.1364/OL.22.001905

[3] Hussain SA, Kubo T, Hall N, et al. Wavefront-sensorless adaptive optics with a laser-free spinning disk confocal microscope. J Microsc. 2022;288:106–116. doi:10.1111/jmi.12976

[4] Manton JD. Answering some questions about structured illumination microscopy. Phil Trans R Soc A. 2022;380:20210109. doi:10.1098/rsta.2021.0109

[5] Deisl C, Chung JH, Hilgemann DW. Longitudinal diffusion barriers imposed by myofilaments and mitochondria in murine cardiac myocytes. J Gen Physiol. 2023;155:e202213329. doi:10.1085/jgp.202213329

[6] Viitanen A, et al. An image analysis method for regionally defined cellular phenotyping of the Drosophila midgut. Cell Rep Methods. 2021;1:100059. doi:10.1016/j.crmeth.2021.100059

[7] Nakos Bimpos M, et al. Alpha-synuclein-induced stress sensitivity renders the Parkinson's disease brain susceptible to neurodegeneration. Acta Neuropathol Commun. 2024;12:100. doi:10.1186/s40478-024-01797-w

[8] Lee MD, et al. VasoTracker 2: open-source software and hardware for tracking blood vessel diameter and assessing vascular function. J Physiol. 2025;603(22):6763–6781. doi:10.1113/JP289322

[9] Aurox Ltd. Clarity 产品页. https://www.aurox.co.uk/aurox-clarity.php (2026 年 10 月访问)

图片说明:图1、图3 版权归 Aurox Ltd.;图2 为自绘;图4 引自 CC BY 4.0 开放获取论文,已注明出处。

发布者:北京吉诺姆科技有限公司
联系电话:01081311551
E-mail:service@ohhktech.com

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