宽场荧光显微镜加装结构照明转盘实现光学切片

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。