激光掃描共聚焦顯微鏡實驗技術與應用

岳 磊，張 垚，馬 卓

(哈爾濱工業大學 生命科學與技術學院，哈爾濱 150080)

激光掃描共聚焦顯微鏡實驗技術與應用

岳 磊，張 垚，馬 卓

(哈爾濱工業大學 生命科學與技術學院，哈爾濱 150080)

介紹了激光掃描共聚焦顯微鏡的工作原理、常規樣品制備要求，以及圖像獲取的基本方法，包括光路設置及光強度調節、針孔的調節、增益值的調節、透射光路及DIC設置等.在此基礎上，進一步介紹了共聚焦在生物學研究領域上的應用技巧，如多通道熒光采集、多層掃描及三維構建、熒光共定位及強度分析、時間序列掃描及光漂白技術，為快速掌握共聚焦的操作技巧提供有力的技術參考.

激光掃描共聚焦顯微鏡；圖像；應用

激光掃描共聚焦顯微鏡(Laser Scanning Confocal Microscope，LSCM)是20世紀80年代發展起來的一項具有劃時代意義的高科技新產品，是當今分子生物學和生命科學重要的分析儀器之一[1].它是在熒光顯微鏡成像基礎上加裝了激光掃描裝置，利用計算機進行圖像處理，從而得到細胞或組織內部微細結構的熒光圖像，在亞細胞水平上觀察諸多生理信號機細胞形態的變化，成為形態學、分子細胞生物學、神經科學、藥理學、遺傳學等科學領域中強有力的研究工具[2].如何運用共聚焦拍攝出清晰的信號圖像，對于一些初次接觸共聚焦的科研人員會有些無從入手，本文通過介紹共聚焦的操作技巧以及在生物學上的應用技術，對初學人員提供快速有效的應用參考.

1 儀器介紹

儀器型號：Zeiss LSCM510

主要技術參數：4種激光器：He-Ne 激光器 激發波長633 nm；He-Ne 激光器 激發波長543 nm；Ar多線激光器 激發波長458/488/514 nm；Diode 固體激光器 激發波長405 nm.5種可選物鏡：10X，20X，40Xoil，63Xoil，100Xoil，每個物鏡都有Plus-DIC功能.

2 基本原理

Confocal 利用放置在光源后的照明針孔和放置在檢測器前的探測針孔實現點照明和點探測，來自光源的光通過照明針孔發射出的光聚焦在樣品焦平面的某個點上，該點所發射的熒光成像在探測針孔上，該點以外的任何發射光均被探測針孔阻擋[3-4].照明針孔與探測針孔對被照射點或被探測點來說是共軛的，因此被探測點即共焦點，被探測點所在的平面即共焦平面.計算機以像點的方式將被探測點顯示在計算機屏幕上，為了產生一幅完整的圖像，由光路中的掃描系統在樣品焦平面上掃描，從而產生一幅完整的共焦圖像.只要載物臺沿著Z軸上下移動，將樣品新的一個層面移動到共焦平面上，樣品的新層面又成像在顯示器上，隨著Z軸的不斷移動，就可得到樣品不同層面連續的光切圖像[5].

3 常規樣品制備要求

3.1 染料的選擇

由于共聚焦是以單一波長的激光作為光源，因此在選擇熒光染料時要根據儀器配備的激光器波長選擇，如果在同一樣品中有多種熒光染料標記，還要考慮它們的發射波長盡量不要重疊，避免串色問題[6].

3.2 樣品承載物的選擇

一般的共聚焦高倍物鏡均為油鏡，它的數值孔徑較小，要求鏡頭與樣品之間的工作距離不大于0.17 mm，因此如果觀察樣品為貼壁細胞或組織切片，可以用普通的載玻片和蓋玻片即可.如果是懸浮細胞或懸浮粒子，可以用共聚焦專用的培養皿(glass bottom)承載樣品進行觀察[7].

3.3 封片劑的選擇

如果樣品只需要觀測一次并且不是極易淬滅的熒光，可以選用一定濃度的甘油混合液封片即可.如果樣品需要放置一段時間并多次拍攝，應選用抗熒光淬滅的封片劑，以減少熒光信號丟失[8].

4 圖像獲取的基本方法

4.1 光路設置及光強度調節

根據樣品結合的熒光探針種類來選擇相應的激光器(即發射波長)，如果樣品為多種熒光染色，建議使用Multi Track模式進行信號采集，以避免串色問題.有些熒光染料發射波段比較寬，當與其他染料在同一樣品中時，多通道采集也會串色，這時可以考慮將發射波段的濾片由長通(LP)調整為帶通(BP)，或者進一步選用特征光譜曲線(Spectra)進行掃描[9].

激光強度越高，樣品的信號越強，但熒光也容易淬滅或漂白；如果激光強度過低，信號采集時過多地增大Gain值，就會噪音點增多，影響圖像質量，或者采集不到較弱的信號.隨著激光管使用壽命的增加，激光的亮度會有所下降，原則上激光強度越低越好.

4.2 針孔(Pinhole)的調節

針孔直徑的大小決定了采集的熒光信號多少及切片的厚度，針孔越大，獲得的熒光信號越多，切片的厚度越大，同時獲得的非焦平面的信號也增多，背景較高.因此，在保證圖片質量的前提下，針孔直徑越小越好，以提高圖像分辨率.

4.3 增益值(Gain)的調節

增益值大小的調節相當于調節光電倍增管(PMT)的電壓值，該值的大小直接決定了獲得熒光信號的多少.Gain值越大，熒光強度越大，圖像亮度越高，同時噪音點也增多.

4.4 背景扣除(Offset)的調節

在采集圖像時，可以適當調節Offset鍵，扣除背景的熒光亮度，該值通常設置在0以下.Offset與Gain相輔相成，在實際操作中，二者要結合調節，增加Gain值，噪音點增多時，可以降低Offset值，提高圖像質量.

4.5 圖像掃描

用低像素預覽，高像素獲取圖像.像素是指基本原色素及其灰度的基本編碼，像素越高，分辨率越高，圖像越清晰，反之亦然[10].要獲取高清圖像，不但可以通過提高像素的方法，還可以采用增加掃描次數的模式，更好的減少噪音點和背景.但是掃描次數越多，掃描速度越慢，容易造成熒光淬滅和弱信號丟失，通常掃描次數可以選擇2～4次.

4.6 透射光路及DIC(微分干涉差)設置

共聚焦的透射光圖像也是以激光為光源，由PMT將光信號轉換成電信號，獲取圖像，圖像顏色為偽彩.DIC(Differential Interference Contrast)原理是利用平面偏振光，可使樣品厚度的微小差異轉變為細微明暗差別，增強立體感，通常用于觀察細胞的整體輪廓，便于熒光定位[11-12].共聚焦采集的DIC 圖像為非共焦圖像，因此在透射光通道無法對樣品進行光學切片.

5 激光掃描共聚焦顯微鏡的在生物學研究中的應用技巧

5.1 多通道熒光及透射光疊加圖像

采用Multi Track模式可以進行多種熒光及透射光圖像掃描并疊加，選用不同顏色區分不同的熒光染料(如圖1).疊加后的圖片能更直觀地觀察不同熒光信號在生物體內的定性及共定位情況.

圖1 多通道熒光及透射光疊加圖像

5.2 Z軸掃描及三維構建

利用共聚焦可以去除非焦平面雜散光的特性，可以將較厚的樣品進行多層掃描及三維構建.在獲取模式下選擇Z-stack，然后在Z軸方向選擇起始層面和終止層面，再根據樣品的厚度及實驗需求選擇掃描的層數(keep slice)，或者選擇Z軸步進值(keep interval).通常步進值為切片厚度的50%可以獲得較高的軸向分辨率[13].如圖2所示.

圖2 三維構建圖像

5.3 雙色熒光共定位分析

在多通道熒光疊加圖像上，通過Histo模式下的Colocalisation功能，可以對多種熒光信號進行兩兩共定位分析，共定位的部分可以選用另一種顏色標記出來，獲得的圖像及譜圖能更直觀清晰的進行熒光信號的定性定量分析.如圖3所示.

圖3 雙色熒光共定位分析圖像

5.4 熒光強度對比分析

在Profile模式下選定某一區域或一條直線范圍，通過熒光強度峰圖，可以直觀對比對照組與處理組不同通道的熒光強度差別.如圖4所示.

圖4 熒光強度對比分析圖像

5.5 時間序列(Time Series)掃描

共聚焦可以對標有熒光信號的活細胞實時動態觀測，記錄細胞內特定成分的動態變化.共聚焦是以掃描方式成像，成像速度慢，在進行時間序列掃描時，要想能及時撲捉到快速變化的信號，可以降低分辨率，增加掃描速度，或者將面(Frame)掃描變為線(Line)掃描及點(Spot)掃描，但獲取的圖像質量也會降低.時間序列的掃描時間可以在軟件直接設置，也可以由外置設備(如電生理儀等)進行控制.如圖5所示.

圖5 時間序列掃描圖像

5.6 光漂白(Bleach)掃描

利用光漂白掃描方法可以完成相應的熒光光漂白恢復 (FRAP)及熒光共振能量轉移(FRET)等實驗.先采集一張標準圖像，然后選擇漂白區域(Define Region)，增大激光強度，再設定漂白次數(Iterations)，以實現熒光快速淬滅的效果.結合時間序列掃描方式，就可以完成FRAP及FRET實驗.如圖6所示.

圖6 光漂白分析圖像

綜上所述，通過激光掃描共聚焦顯微鏡可以獲得高清晰、高質量的圖像，還可以擴大圖像的信息量，獲得更多的分析結果，這些功能使得LSCM已成為生物學研究領域中必不可少的分析儀器[14-15].激光掃描共聚焦顯微鏡可以進行細胞形態定位、立體結構重組、動態變化過程等研究，并能提供定量熒光測定、定性圖像分析等實用研究手段，結合其他相關生物技術，在形態學、生理學、免疫學、遺傳學等分子細胞生物學領域將會得到更廣泛應用[16-17].

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Technique and application skills of laser scanning confocal microscopy

YUE Lei，ZHANG Yao, MA Zhuo

(School of Life Science and Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150080,China)

This paper introduced the working principle, conventional sample preparation and production requirements of laser scanning confocal microscopy, as well as the method of image acquisition, including the regulation of light path and light intensity adjustment, gain value and pinhole regulation, transmission light path and DIC settings. And introduced the confocal technique in biological research field, such as multi-track fluorescence collection,Z-stack scanning and three-dimensional construction, analysis of fluorescence colocalisation and intensity, time sequence scanning and bleaching technology. This paper could efficiently provide technical reference for grasping the confocal operation skills.

laser scanning confocal microscopy; image; application

2015-04-10.

岳 磊(1979-)，女，博士，工程師，研究方向：蛋白質功能.

R446

A

1672-0946(2015)03-0263-04