一、光學顯微鏡 光學顯微鏡是一種精密的光學儀器。當前使用的顯微鏡由一套透鏡配合,因而可選擇不同的放大倍數(shù)對物體的細微結構進行放大觀察。普通光學顯微鏡通常能將物體放大 1500~2000 倍(zui大的分辨力為 0.2μm)。 (一)光學顯微鏡的基本結構(附圖1) 1.光學部分 包括目鏡、物鏡、聚光器和光源等。 (1)目鏡 通常由兩組透鏡組成,上端的一組又稱為“接目鏡”,下端的則稱為“場鏡”。兩者之間或在場鏡的下方裝有視場光闌(金屬環(huán)狀裝置),經(jīng)物鏡放大后的中間像就落在視場光闌平面上,所以其上可加置目鏡測微尺。在目鏡上方刻有放大倍數(shù),如 10×、20×等。按照視場的大小,目鏡可分為普通目鏡和廣角目鏡。有些顯微鏡的目鏡上還附有視度調(diào)節(jié)機構,操作者可以對左右眼分別進行視度調(diào)整。另有照相目鏡(NFK)可用于拍攝。 (2)物鏡 由數(shù)組透鏡組成,安裝于轉(zhuǎn)換器上,又稱接物鏡。通常每臺顯微鏡配備一套不同倍數(shù)的物鏡,包括:①低倍物鏡:指 1×~6×; (3)聚光器 由聚光透鏡和虹彩光圈組成,位于在載物臺下方。聚光透鏡的功能是將光線聚焦于視場范圍內(nèi);透鏡組下方的虹彩光圈可開大縮小,以控制聚光器的通光范圍,調(diào)節(jié)光的強度,影響成像的分辨力和反差。使用時應根據(jù)觀察目的,配合光源強度加以調(diào)節(jié),得到*成像效果。 (4)光源 較早的普通光學顯微鏡借助鏡座上的反光鏡,將自然光或燈光反射到聚光器透鏡的中央作為鏡檢光源。反光鏡是由一平面和另一凹面的鏡子組成。不用聚光器或光線較強時用凹面鏡,凹面鏡能起會聚光線的作用;用聚光器或光較弱時,一般都用平面鏡。新近出產(chǎn)的顯微鏡一般直接在鏡座上安裝光源,并有電流調(diào)節(jié)螺旋,用于調(diào)節(jié)光照強度。光源類型有鹵素燈、鎢絲燈、汞燈、熒光燈、金屬鹵化物燈等。 顯微鏡的光源照明方法分為兩種:透射型與反射(落射)型。前者是指光源由下而上通過透明的鏡檢對象;反射型顯微鏡則是以物鏡上方打光到(落射照明)不透明的物體上。 2. 機械部分 包括鏡座、鏡柱、鏡壁、鏡筒、物鏡轉(zhuǎn)換器、載物臺和準焦螺旋等。 (二)普通光學顯微鏡的基本成像原理 光線→(反光鏡)→遮光器→通光孔→鏡檢樣品(透明)→物鏡的透鏡(*次放大成倒立實像)→鏡筒→目鏡(再次放大成虛像)→眼。 (三)普通光學顯微鏡的使用過程 1.鏡檢前的準備 室內(nèi)應清潔而干燥,實驗臺臺面水平,穩(wěn)固無震動,顯微鏡附近不應放置腐蝕性的試劑。從顯微鏡柜或鏡箱內(nèi)取出顯微鏡時,要用右手緊握鏡臂,左手托住鏡座,平穩(wěn)地取出,放置在實驗臺桌面上,置于操作者左前方,距實驗臺邊緣約10cm,鏡臂朝自己,鏡筒朝前。實驗臺右側放繪圖用具。 2.調(diào)節(jié)光源 如需利用外置光源,宜采用散射的自然光或柔和的燈光。直射的太陽光會對觀察者的眼睛造成傷害。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器,使低倍鏡正對通光孔,將聚光器上的虹彩光圈開到zui大,觀察目鏡中視野亮度,同時調(diào)節(jié)反光鏡角度,使光照達到zui明亮zui均勻。自帶光源的顯微鏡,可通過調(diào)節(jié)電流旋鈕來調(diào)節(jié)光照的強弱。 3.裝置待檢玻片 將待觀察的樣品制作成臨時或*裝片,放在載物臺上,用彈簧夾固定,有蓋玻片的一面朝上。移動推進器,調(diào)節(jié)待檢樣品至通光孔的中心。 4.低倍鏡觀察 將低倍鏡對準通光孔,緩緩轉(zhuǎn)動粗準焦螺旋,將物鏡與裝片的距離調(diào)至zui近。注意不要壓碎蓋玻片。通過目鏡觀察,同時用粗準焦螺旋緩慢調(diào)節(jié),直至物像出現(xiàn),再用細準焦螺旋微調(diào),同時調(diào)節(jié)光源亮度與虹彩光圈的大小,使物像達到zui清晰的程度。并利用推進器把需要進一步放大觀察的部分移至視野中央。如果使用雙筒目鏡,應在觀察前先調(diào)整雙筒距離,使兩眼視場合并。 5.高 倍鏡觀察 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器,選 擇較高倍數(shù)的物鏡,用 細準焦螺旋調(diào)節(jié)焦距,到 物像清晰為止。 6.油鏡觀察 油浸物鏡的工作距離(指物鏡前透鏡的表面到被檢物體之間的距離)很短,一般在 0.2 mm 以內(nèi),且一般光學顯微鏡的油浸物鏡沒有“彈簧裝置”,因此使用油浸物鏡時,調(diào)焦速度必須放慢,避免壓碎玻片,并使物鏡受損。 7.還原顯微鏡 關閉內(nèi)置光源并拔下電源插頭,或使反光鏡與聚光器垂直。旋轉(zhuǎn)物鏡轉(zhuǎn)換器,使物鏡頭呈八字形位置與通光孔相對。再將鏡筒與載物臺距離調(diào)至zui近,降下聚光器。罩上防塵罩,將顯微鏡放回柜內(nèi)或鏡箱中。 二、幾種特殊的光學顯微鏡 (一)暗視野顯微鏡 暗視野顯微鏡不具備觀察物體內(nèi)部的細微結構的功能,但可以分辨 0.004μm 以上的微粒的存在和運動。因而常用于觀察活細胞的結構和細胞內(nèi)微粒的運動等。暗視野顯微鏡的基本原理是丁達爾效應。當一束光線透過黑暗的房間,從垂直于入射光的方向可以觀察到空氣里出現(xiàn)的一條光亮的灰塵“通路”,這種現(xiàn)象即丁達爾效應。暗視野顯微鏡在普通的光學顯微鏡上換裝暗視野聚光鏡后,由于該聚光器內(nèi)部拋物面結構的遮擋,照射在待檢物體表面的光線不能直接進入物鏡和目鏡,僅散射光能通過,因而視野是黑暗的。操作者通過目鏡觀察到的,是檢物體的衍射光圖像(附圖12)。 暗視野顯微鏡的基本使用方法如下: 1.安裝暗視野聚光器(或用厚實的黑紙片制成遮光板,放在普通顯微鏡的聚光器下方,也能得到暗視野效果)。 (二)體視顯微鏡 體視顯微鏡又稱實體顯微鏡或解剖鏡,其成像為正立三維的空間影像,并具有立體感強、成像清晰寬闊、長工作距離(通常為 110 mm)以及連續(xù)放大觀看等特點。生物學上常用于解剖過程中的實時觀察(附圖 13)。 普通光學顯微鏡的光源為平行光,因而形成的是二維平面影像;而體視顯微鏡采用雙通道光路,雙目鏡筒中的左右兩光束具有一定的夾角體視角(一般為 12o15o),因而能形成三維空間的立體圖像。體視顯微鏡與普通光學顯微鏡的使用方法相近,但更為便捷。二者的主要區(qū)別在于: 1. 體視顯微鏡的鏡檢對象可不必制作成裝片。 (三) 熒光顯微鏡 熒光顯微鏡是利用細胞內(nèi)物質(zhì)發(fā)射的熒光強度對其進行定性和定量研究的一種光學工具。細胞內(nèi)的熒光物質(zhì)物質(zhì)有兩類,一類直接經(jīng)紫外線照射后即可發(fā)熒光,如葉綠素等;另有一些物質(zhì)本身不具這一性質(zhì),但如果以特定的熒光染料或熒光抗體染色,經(jīng)紫外線照射后亦可發(fā)熒光(附圖 1-4)。 熒光顯微鏡的原理為利用一個高發(fā)光效率的點光源(如超高壓汞燈),經(jīng) 過濾色系統(tǒng)發(fā)出一定波長的光(如紫外光3650λ 或紫藍光4200λ)作為激發(fā)光,激發(fā)標本內(nèi)的熒光物質(zhì)發(fā)射出各色的熒光后,再通過物鏡后面的阻斷(或壓制)濾光片的過濾,zui后經(jīng)由目鏡的放大作用加以觀察。阻斷濾光片的作用有二:一是吸收和阻擋激發(fā)光進入目鏡以免干擾熒光和損傷眼睛;二是選擇并讓特定的熒光透過,表現(xiàn)出專一的熒光色彩。 熒光顯微鏡按照光路原理可分為兩種: 1.透射式熒光顯微鏡 較為舊式的熒光顯微鏡,其激發(fā)光源通過聚光鏡穿過標本材料來激發(fā)熒光。其優(yōu)點是低倍鏡時熒光強,而缺點是隨放大倍數(shù)增加其熒光減弱。所以它僅適用于觀察較大的標本材料。 光路中需加上一個雙色束分離器(分色鏡),它與光軸呈 45o 角,激發(fā)光被反射到物鏡中,并聚集在樣品上,樣品所產(chǎn)生的熒光以及由物鏡透鏡表面、蓋玻片表面反射的激發(fā)光同時進入物鏡,返回到雙色束分離器,使激發(fā)光和熒光分開,殘余激發(fā)光再被阻斷濾片吸收。如換用不同的激發(fā)濾片/雙色束分離器/阻斷濾片的組合插塊,可滿足不同熒光反應產(chǎn)物的需要。此種熒光顯微鏡的優(yōu)點是視野照明均勻,成像清晰,放大倍數(shù)愈大熒光愈強。 (四)相差顯微鏡 相差顯微鏡是能將光通過物體時產(chǎn)生的相位差(或光程差)轉(zhuǎn)變?yōu)檎穹ü鈴姸龋┳兓娘@微鏡。主要用于觀察活細胞、不染色的組織切片或缺少反差的染色標本。人眼只能鑒別可見光的波長(顏色)和振幅的變化,不能鑒別相位的變化。而大多數(shù)生物標本高度透明,光波通過后振幅基本不變,僅存在相位的變化。相差顯微鏡基本把透過標本的可見光的光程差變成振幅差,從而提高了各種結構間的對比度,使各種結構變得清晰可見。光線透過標本后發(fā)生折射,偏離了原來的光路,同時被延遲了 1/4λ(波長),如果再增加或減少 1/4λ,則光程差變?yōu)?nbsp;1/2λ,兩束光合軸后干涉加強,振幅增大或減下,提高反差(見圖 6)。 從結構上看,相差顯微鏡與普通光學顯微鏡不同之處在于: 1.環(huán)形光闌具有環(huán)形開孔的光闌,安裝在光源與聚光器之間,作用是使透過聚光器的光線形成空心光錐,聚焦到標本上。 3.合軸調(diào)節(jié)望遠鏡 相差顯微鏡配備有一個合軸調(diào)節(jié)望遠鏡(在外殼上標有“CT”符號),用于調(diào)節(jié)環(huán)狀光闌的像與相板共軛面*吻合,以便實現(xiàn)對直射光和衍射光的特殊處理。使用時撥去一側目鏡,插入合軸調(diào)節(jié)望遠鏡,調(diào)節(jié)合軸調(diào)節(jié)望遠鏡的焦點,視野中會呈現(xiàn)兩個圓環(huán),分別是明亮的環(huán)狀光闌圓環(huán)與較暗的相板上共軛面圓環(huán)。再轉(zhuǎn)動聚光器上的環(huán)狀光闌的兩個調(diào)節(jié)螺旋,使兩環(huán)*重疊。如明亮的光環(huán)過小或過大,可調(diào)節(jié)聚光器的升降旋鈕,使兩環(huán)*吻合。如果聚光器已升到zui高點或降到zui低點而仍不能矯正,說明玻片太厚了,應更換。調(diào)好后即可取下合軸調(diào)節(jié)望遠鏡,換回目鏡。 4.綠色濾光片 用于調(diào)整光源的波長。照明光線的波長不同,會引起相位的變化,為了獲得良好的相差效果,相差顯微鏡要求使用波長范圍比較窄的單色光,通常是用綠色濾光片來調(diào)整。相差顯微鏡的使用步驟如下: ① 根據(jù)待檢標本的性質(zhì)及要求,挑選適合的相差物鏡。 (五)倒置顯微鏡 倒置顯微鏡的結構和普通顯微鏡基本相同,只不過物鏡與照明系統(tǒng)位置交換,前者在載物臺之下,后者在載物臺之上。主要用于觀察培養(yǎng)的活細胞,需配制相差物鏡。 (六)偏光顯微鏡 偏光顯微鏡可用于檢測具有雙折射性的物質(zhì),如染色體、膠原、纖維絲等(附圖 1-7) 和普通顯微鏡不同的是: ① 偏光顯微鏡光源前配備偏振鏡(起偏器),使進入顯微鏡的光線為偏振光。 三、電子顯微鏡 電子顯微鏡是利用高速運動的電子束來代替光波的一種顯微鏡。光學顯微鏡下只能清楚地觀察大于 0.2 μm 的結構。而小于 0.2 μm 的結構稱為亞顯微結構(submicroscopic structures)或超微結構(ultramicroscopic structures;ultrastructures)。要想看清這些更為細微的結構,就必須選擇波長更短的光源,以提高顯微鏡的分辨率。電子束的波長要比可見光和紫外光短得多,并且電子束的波長與發(fā)射電子束的電壓平方根成反比,也就是說電壓越高波長越短。因此電子顯微鏡的分辨率遠高于光學顯微鏡,目前可達 0.2 nm,放大倍數(shù)可達 80 萬倍。電子顯微鏡的基本要結構包括鏡筒、真空系統(tǒng)和電源柜三部分。鏡筒主要由電子槍、電子透鏡、樣品架、熒光屏和照相機構等部件,自上而下地裝配成一個柱體;真空系統(tǒng)包括機械真空泵、擴散泵和真空閥門三部分,并通過抽氣管道與鏡筒相聯(lián)接;電源柜由高壓發(fā)生器、勵磁電流穩(wěn)流器和各種調(diào)節(jié)控制單元組成。電子透鏡是電子顯微鏡鏡筒中的關鍵部件?,F(xiàn)代電子顯微鏡大多采用電磁透鏡,由穩(wěn)定的直流勵磁電流通過帶極靴的線圈產(chǎn)生的強磁場使電子聚焦。電子槍的作用是發(fā)射并形成速度均勻的電子束,由燈絲(陰極)、柵極和陽極(加速極)構成。陰極管發(fā)射的電子通過柵極上的小孔形成射線束,經(jīng)陽極電壓加速后射向聚光鏡,起到對電子束加速、加壓的作用。使用中加速電壓的穩(wěn)定度要求不低于萬分之一。電子顯微鏡按結構和用途可分為透射式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、反射式電子顯微鏡和發(fā)射式電子顯微鏡等。其中生物學研究中使用的是透射式和掃描式電子顯微鏡。前者常用于觀察那些用普通顯微鏡所不能分辨的細微物質(zhì)結構;后者主要用于觀察固體表面的形貌。 (一)透射式電子顯微鏡 透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)的組件包括: 1. 電子槍 發(fā)射電子,由陰極、柵極、陽極組成。 (1)薄切片法 通常以鋨酸和戊二醛固定樣品,以環(huán)氧樹脂包埋,以熱膨脹或螺旋推進的方式推進樣品切片,切片厚度 20~50 nm,采用重金屬鹽染色,以增大反差。 (二)掃描式電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)于 20 世紀 60 年代問世,目前分辨力可達 6~10 nm。其工作原理是由電子槍發(fā)射的精細聚焦電子束經(jīng)兩級聚光鏡、偏轉(zhuǎn)線圈和物鏡射到樣品上,掃描樣品表面并激發(fā)出次級電子,次級電子的產(chǎn)生量與電子束入射角有關,即與樣品的表面結構有關。次級電子經(jīng)探測體收集后,由閃爍器轉(zhuǎn)換為光信號,再經(jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杹砜刂茻晒馄辽想娮邮膹姸龋@示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象,反映了標本的表面結構。掃描電鏡的標本在檢驗前,需進行固定、脫水處理,再噴涂上一層重金屬微粒,重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級電子信號。 |