—— PROUCTS LIST
徠卡顯微鏡的光譜成像
分色方法
多通道熒光成像的目的是將各種熒光染料發(fā)射的光子收集到獨(dú)立的檢測通道中。為此,有必要對全發(fā)射光譜的組分進(jìn)行空間分離,即將這些組分定位到不同的方向。傳統(tǒng)上,這種分離是通過“次級二向色鏡"(將照明與發(fā)射分離的主要分光器,稱“主分光器")進(jìn)行的。出乎意料的是,還可以通過使用棱鏡或光柵來分離。根據(jù)光子的顏色對光子進(jìn)行物理分類,這是一種原始的真彩分色方法。如果主要分色不充分,則可以通過數(shù)學(xué)分解來補(bǔ)充。
次級二向色鏡
自1970年以來,多通道熒光顯微技術(shù)在生物顯微技術(shù)領(lǐng)域的需求日益增加。在簡單的情況下,用于單通道設(shè)置的濾光片和二向色鏡在本質(zhì)上允許記錄例如,藍(lán)色或紫外線激發(fā)下的綠色和黃色/橙色熒光(當(dāng)時(shí)被遺忘的標(biāo)準(zhǔn)是富爾根染色,它可以通過不同的發(fā)射顏色來辨別和)。寬場顯微技術(shù)通過使用彩色攝像機(jī)來達(dá)到這一要求。有時(shí),特別是對于定量測量,圖像被分割,兩個(gè)通道在同一芯片上并行成像。先進(jìn)的是同時(shí)并行使用兩個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)。在真共聚焦掃描顯微技術(shù)中,不可能分割感應(yīng)目標(biāo)。因此,通過添加第二個(gè)(第三個(gè)……)光電倍增管,立即實(shí)現(xiàn)了多通道熒光成像。并行記錄數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)可以直接顯示在屏幕上,例如,在監(jiān)視器的3個(gè)顏色通道中,或以電子方式存儲以供以后分析。要顯示3個(gè)以上的通道,信息必須分布在3個(gè)可用的監(jiān)視器通道中,這不可避免地會導(dǎo)致分離度和強(qiáng)度分辨率的損失。然而,現(xiàn)代顯微技術(shù)不僅僅能得到清晰的圖像(無論如何,我們用肉眼只能辨別三個(gè)通道),還可以對其進(jìn)行定量測量。在定量測量中,只要通道數(shù)量不超過樣品中熒光染料物質(zhì)的數(shù)量,任何數(shù)量的通道都是有意義的。
圖1:帶有次級二向色鏡的4通道共聚焦掃描顯微鏡的布局圖(徠卡 ,1995年)。1和2設(shè)計(jì)為“濾光片輪",而是固定反射鏡(適用于3通道系統(tǒng))或固定二向色鏡(適用于4通道系統(tǒng))。
將發(fā)射不同顏色的熒光染料發(fā)射到一組傳感器,最顯而易見的方法是使用二向色鏡。二向色鏡會反射比二向色原定波長0更短波長的光,并能透射更長波長的所有顏色的光。這適用于“長通二向色鏡"?!岸掏ǘ蛏R"會透射較短波長的光并反射光譜中較紅部分的光。在圖2中,一組三個(gè)次級二向色鏡1、2和3用于將全光譜分成4個(gè)不同的方向,傳感器隨后可以在其中收集4個(gè)不同的通道。必須根據(jù)所用熒光染料的光譜發(fā)射特性來選擇次級二向色鏡。因此,給定的一組次級二向色鏡可能適合許多發(fā)射方式類似的熒光染料,但如果熒光染料組合的發(fā)射特性顯著不同,則不適用。為解決這一問題,使用次級二向色鏡進(jìn)行分色的系統(tǒng)在每個(gè)分色位置都配備了片輪或滑塊。它們配備了一系列不同的二向色鏡,允許(有限)數(shù)量的不同色帶傳遞給傳感器。顯然,這種解決方案不是很靈活,需要大量的伺服技術(shù)和調(diào)整(預(yù)計(jì)至少保持穩(wěn)定數(shù)月。如果安裝許多激光線,則潛在發(fā)射帶的數(shù)量將會增加——因此需要的次級二向色鏡的數(shù)量也會增加。如果使用白激光,發(fā)射濾光片概念將無法合理適應(yīng),只能使用連續(xù)可調(diào)的設(shè)備。圖1表明了1995年次級二向色概念的實(shí)現(xiàn)。
圖2:二向色鏡的色散。主分光器將激發(fā)與發(fā)射分離。隨后通過次級二向色鏡1、2和3將發(fā)射分成四個(gè)方向(本例)。常規(guī)二向色鏡反射短波長的光并透射“更紅"顏色的光,盡管相反的特性也同樣可能。
棱鏡的色散
圖3:基于棱鏡的共聚焦檢測模塊示意圖,該模塊具有可單獨(dú)調(diào)節(jié)波段的5個(gè)通道,用于發(fā)射收集。
1)棱鏡,2)滑塊,3)檢測器
艾薩克·牛頓爵士在其1704年出版的《光學(xué)》一書中描述了最古老的(有目的的)光分色方法:使用棱鏡。本文的序言部分附有牛頓那本書的插圖。我們?nèi)缃竦慕忉屖?,在不同光學(xué)介質(zhì)的邊界處,較短波長的光將比較長波長的光的衍射更強(qiáng)(作出一個(gè)簡單的結(jié)論)。如果將不同顏色混合后(如一組熒光染料組合發(fā)射),穿過棱鏡,則組合發(fā)射將在光譜上分解。
分解強(qiáng)度取決于多個(gè)技術(shù)參數(shù),但與樣品或傳感器無關(guān)。這是一個(gè)非常有效和直接的解決方案,可以讓一組熒光染料發(fā)射指向不同方向,這樣就可以記錄下來。在簡單的情況下,只需沿著光譜放置一系列檢測器。這一概念已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了,但在收集效率和靈活性方面還存在嚴(yán)重缺陷。多波段設(shè)備是更好的解決方案,對每個(gè)要記錄的傳感器,其允許單獨(dú)選擇全光譜的任何部分。
棱鏡具有全光譜(平面)透射的優(yōu)勢,即棱鏡(在原定的光譜范圍內(nèi))沒有吸收調(diào)制。透射和色散與偏振方向無關(guān)。這是一個(gè)重要的定律,因?yàn)闊晒馊玖系陌l(fā)射總是非偏振的。最后但并非最不重要的是,色散僅發(fā)生在一個(gè)方向上——在選擇的階數(shù)中,沒有其他“階數(shù)"可以降低色散的強(qiáng)度。
本文對色散光譜的線性問題進(jìn)行了討論?;诶忡R的光譜與波長不呈線性關(guān)系。這對于技術(shù)設(shè)計(jì)而言不是問題,只要不使用線性檢測器組合,例如多陽極光電倍增管或類似設(shè)備。
圖4:棱鏡的色散。由于玻璃棱鏡的折射能力取決于衍射光的波長,因此不同波長的組合將被分散。在白光的情況下,色散圖案是一個(gè)連續(xù)的光譜。多重標(biāo)記熒光樣品的發(fā)射將產(chǎn)生一個(gè)在熒光染料發(fā)射最大值處具有最大值的光譜。這一技術(shù)是通過單個(gè)傳感器收集盡可能多的單一染料。
光柵色散
圖5:光柵與棱鏡的效率比較。光柵(藍(lán)色曲線)針對“閃耀"波長進(jìn)行了優(yōu)化,該波長兩側(cè)的效率都會下降。而且,特定的偏振方向的透過效率很好(在閃耀時(shí))。在短波段內(nèi),垂直偏振顯著下降。棱鏡的效率主要取決于所使用的玻璃類型,并且在長程范圍內(nèi)是平面且非偏振的(此處:用于可見光發(fā)射的冕玻璃)。
棱鏡的另一個(gè)色散元件是光柵。透射光柵和反射光柵都在使用。用入射光束照明時(shí),光柵的周期性結(jié)構(gòu)將使光偏轉(zhuǎn)到不同方向(通過干涉過程)。
直線方向(0階)不顯示任何色散。通常選擇的方向是一階。在這里,光分散為光譜,非常類似于棱鏡中的色散。然而,還有更多的階數(shù),如2階和更高階,但在光柵法線的另一側(cè),也有反射1階……階。光柵制作技術(shù)是將盡可能多的能量集中在一個(gè)單一的階數(shù)中。
對于平行或垂直于線(凹槽)方向的偏振光,光柵的表現(xiàn)也迥然不同。雖然垂直波在最佳情況(取決于各種參數(shù))下可以產(chǎn)生相當(dāng)有效的光譜,但平行波在距離閃耀波長兩個(gè)八度范圍內(nèi)顯著下降——大約降為零。由于熒光是非偏振的,因此用垂直效率和平行效率的平均值來描述總效率。在可見光200 范圍內(nèi),下降到30%是常見的。
對于效率(光子收集性能)是關(guān)鍵問題的儀器而言,這使得光柵成為非常低效且不合適的色散器件——在共聚焦熒光顯微技術(shù)中也是如此。如果該技術(shù)實(shí)現(xiàn),通常會附加一系列額外的設(shè)計(jì)元件,試圖引導(dǎo)丟失的光子進(jìn)入傳感器(有時(shí)稱為“光子回收器")。
更復(fù)雜的是,與棱鏡相比,光柵的雜散光損失要大得多。
圖6:光柵產(chǎn)生包含入射光束光譜的若干階數(shù)。通過所用的階數(shù)與入射光束的比值來計(jì)算絕對效率。
色散器的比較
如上文所述,在共聚焦顯微技術(shù)中,熒光發(fā)射色散的各種概念各有優(yōu)缺點(diǎn)。比較概述如下表所示。顯然,棱鏡是完成這項(xiàng)任務(wù)的*。