一、概述
共聚焦顯微鏡(CLSM)是一種利用空間針孔過濾掉焦平面以外的雜散光，從而大幅提高圖像分辨率和對比度的先進光學(xué)成像技術(shù)。它被譽為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)研究中最重要的工具之一。
二、光路協(xié)同
1. 光源系統(tǒng)：單色光的精準調(diào)控
高穩(wěn)定性激光器產(chǎn)生單色性光束(波長半寬<2nm)，聲光可調(diào)濾波器(AOTF)以微秒級速度精確調(diào)節(jié)各激光束強度。當(dāng)多譜線激光(如488nm藍光、561nm黃光、647nm紅光)經(jīng)AOTF合成激發(fā)譜，可實現(xiàn)十色熒光同步檢測。
2. 掃描核心
XY掃描振鏡以電磁驅(qū)動方式偏轉(zhuǎn)光束。采用共振振鏡與標準振鏡組合，既實現(xiàn)30fps的高速成像，又保證5120×5120像素大視野的高精度。光束經(jīng)物鏡聚焦后，在樣本表面形成直徑0.2μm的光點(100×油鏡)，如同探針般逐點“觸摸”微觀結(jié)構(gòu)。
3. 熒光捕獲
發(fā)射熒光穿過探測針孔(直徑可調(diào)至50μm)，針孔尺寸需匹配光學(xué)系統(tǒng)的艾里斑。直徑1 Airy單位的針孔可阻擋83%的離焦光線，使信噪比提升8倍。高靈敏度探測器陣列將微弱光子轉(zhuǎn)化為電信號，量子效率突破75%，較傳統(tǒng)PMT提升近倍。
4. 三維重構(gòu)
壓電陶瓷載物臺以10nm步進精度沿Z軸移動，每步進一次采集一層光學(xué)切片。500層切片數(shù)據(jù)經(jīng)反卷積算法處理，可重構(gòu)出細胞三維模型。結(jié)合熒光壽命檢測，更能解析分子微環(huán)境變化——如通過NADH壽命變化判斷細胞代謝狀態(tài)。
三、性能飛躍
??1.分辨率提升??
共聚焦系統(tǒng)軸向分辨率達400nm(傳統(tǒng)顯微鏡600nm)，相當(dāng)于在頭發(fā)絲橫截面上區(qū)分出200個清晰層面。當(dāng)物鏡數(shù)值孔徑(NA)從0.7增至1.4，分辨率隨NA值平方提升，使0.2μm的核孔復(fù)合體細節(jié)清晰可辨。
??2.深度穿透突破??
在腦科學(xué)研究中，雙光子共聚焦的近紅外激光(波長1300nm)穿透深度突破1mm，成功解析小鼠海馬體神經(jīng)突觸連接。配合折射率匹配溶液，可對胚胎發(fā)育進行長達72小時的活體觀測。
3.??動態(tài)過程捕捉??
共振掃描技術(shù)實現(xiàn)每秒30幀的512×512像素采集速率，足夠捕捉心肌細胞鈣火花(持續(xù)100ms)的完整傳播過程。時間分辨率達毫秒級，使科學(xué)家觀測到HIV病毒出芽的實時動態(tài)。
四、多維應(yīng)用
1.生命科學(xué)新視野
在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，Thy1-YFP轉(zhuǎn)基因小鼠的神經(jīng)元在共聚焦下顯現(xiàn)出樹突棘的精細結(jié)構(gòu)。研究者通過連續(xù)24小時成像，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中突觸后密度蛋白PSD-95在特定棘突上的累積規(guī)律。免疫學(xué)研究則通過FRET技術(shù)(熒光共振能量轉(zhuǎn)移)，在50nm尺度解析T細胞受體與抗原的相互作用動力學(xué)。
2.病理診斷變革
病理科醫(yī)生利用共聚焦系統(tǒng)開展??無切片快速診斷??：對乳腺穿刺樣本直接進行三維熒光成像，2小時內(nèi)完成HER2蛋白表達量化分析，較傳統(tǒng)流程縮短5天。在眼科，角膜各層細胞密度自動計數(shù)精度達97%，為屈光手術(shù)提供關(guān)鍵參數(shù)。
3.材料科學(xué)突破
納米涂層厚度檢測是共聚焦的優(yōu)勢。對太陽能電池板的功能層進行三維重構(gòu)，可量化納米空隙分布(精度±5nm)。在高溫合金研究中，反射模式成像揭示出晶界碳化物的三維網(wǎng)絡(luò)——這是材料斷裂的起始點。
五、共聚焦顯微鏡實用指南
??1.探針選擇策略??
活細胞成像優(yōu)選光穩(wěn)定性探針：如橙色熒光蛋白mOrange2的光漂白半衰期達60秒(較GFP提升3倍)。四色標記方案推薦：DAPI(核)、MitoTracker Deep Red(線粒體)、Phalloidin-Alexa 488(微絲)、LysoTracker Yellow(溶酶體)。
??2.折射率匹配藝術(shù)??
在厚組織成像中，甘油封片(n=1.47)會導(dǎo)致球差。現(xiàn)代校正方案采用硅油物鏡(n=1.52)，配合二甲基亞砜(DMSO)處理樣本，使水浸物鏡的工作距離延伸至2mm，滿足全腦成像需求。
??3.光子管理守則??
為降低光毒性，激光功率需控制在探針飽和強度的5%以下。采用門控探測技術(shù)，僅在熒光壽命檢測期開啟激光，使活細胞存活時間從10分鐘延長至24小時。
六、共聚焦顯微鏡基本操作流程(簡版)
??1.準備工作：??
??1.1樣品制備：??
通常是熒光標記的細胞、組織切片或透明整體標本。
使用載玻片和蓋玻片封片。蓋玻片必須干凈且厚度匹配物鏡。
使用合適的抗淬滅劑封片液以減少熒光漂白。
確保樣品固定牢固，無明顯震動來源。
1.2??系統(tǒng)啟動：??
打開儀器主電源。
打開激光器電源。
打開軟件控制系統(tǒng)。
??2.放置樣品：??
將樣品(玻片或培養(yǎng)皿)小心平穩(wěn)地放在載物臺上。
根據(jù)需要選擇合適放大倍數(shù)和NA值的物鏡。
使用明場或低倍物鏡粗略找到樣品目標區(qū)域。
3??.軟件設(shè)置 - 通道配置：??
在軟件中選擇使用的激光波長線。
選擇發(fā)射波段范圍。
設(shè)置PMT增益。
設(shè)置針孔大小。
設(shè)定激光功率。
??4.光路調(diào)整與聚焦：??
切換到掃描模式(通常軟件界面會實時預(yù)覽)。
仔細調(diào)節(jié)聚焦旋鈕(粗調(diào)+細調(diào))或Z軸驅(qū)動，直到看到強的目標熒光信號。
如果設(shè)備支持透射光，可用于輔助尋找位置和聚焦，尤其是樣品自發(fā)熒光很弱時。
??5.參數(shù)優(yōu)化：??
??調(diào)整增益：?? 逐步提高增益，直到背景噪音開始顯現(xiàn)，然后略微回調(diào)至背景干凈的狀態(tài)。避免過飽和(出現(xiàn)白色塊)。
??調(diào)整激光功率：?? 在增益設(shè)置合理后，如果信號仍然偏弱，優(yōu)先微量增加激光功率(而非增益)。目標是使用低激光功率獲得可用信號。
??優(yōu)化針孔：?? 確認針孔大小。增大針孔能增加亮度但降低光學(xué)切片厚度(分辨率)。只在信噪比極差時才考慮增大針孔。
??平衡：?? 反復(fù)調(diào)整增益、激光功率、針孔大小，在??獲得足夠信噪比圖像??的前提下，??將熒光漂白和光毒性降到低??。這是關(guān)鍵步驟！
??6.掃描設(shè)置：??
??掃描速度/分辨率：?? 選擇掃描速度(慢速提供更高信噪比但增加漂白，快速反之)和圖像分辨率(像素數(shù)，如1024x1024)。
??掃描方向/平均次數(shù)：?? 可選擇單次掃描(快速但可能噪聲大)或多次掃描平均。
??放大倍率：?? 決定圖像視野大小。高倍Zoom縮小視野，但等同于“光學(xué)放大”。
??7.圖像采集：??
優(yōu)化好參數(shù)后，點擊軟件上的“開始掃描”或“獲取”按鈕。
掃描完成后，圖像顯示在軟件窗口中。
檢查圖像質(zhì)量：亮度、對比度、信噪比、漂白程度。不滿意則調(diào)整參數(shù)重新掃描。
??8.獲取Z-Stack(3D成像)：??
在軟件中設(shè)置Z軸起點和終點。
設(shè)置Z軸步進距離(如0.5微米)，步進過大則可能丟失信息，過小則漂白嚴重且數(shù)據(jù)量大。
軟件會控制物鏡逐層掃描，獲取一系列光學(xué)切面圖像。
軟件通常可進行三維重建或生成最大強度投影圖。
??9.時間序列成像：??
設(shè)置固定的掃描位置(XY)和聚焦(Z)。
設(shè)定掃描參數(shù)(速度、分辨率、平均等)，并設(shè)定時間間隔(如每30秒一次)和總時間(如1小時)。
軟件會在指定時間點自動進行掃描。
??10.圖像保存與處理：??
將掃描得到的圖像以未壓縮的原始格式保存。這是安全的方式。
切勿僅保存軟件的截圖。
保存時記錄關(guān)鍵參數(shù)：激光功率、針孔大小、增益值、物鏡型號、分辨率、像素大小、熒光通道配置等。
后期可使用軟件或第三方工具進行圖像處理(如偽彩、疊加、三維重建、測量等)。
??11.結(jié)束使用：??
關(guān)閉軟件系統(tǒng)。
??關(guān)閉激光器電源(非常重要！以延長激光器壽命和節(jié)省維護成本)。??
小心取下樣品。若使用油鏡，用干凈擦鏡紙蘸少量純酒精或?qū)Ｓ苗R頭清潔劑擦拭物鏡鏡頭。??動作要輕柔。??
蓋上顯微鏡防塵罩。
按規(guī)定關(guān)閉共聚焦顯微鏡主電源(不同實驗室規(guī)程可能不同)。
