激光共聚焦显微镜技术进展

马亢，周庆峰，施传信，裴冬丽，闫永峰（商丘师范学院生命科学学院，河南商丘476000）



激光共聚焦显微镜技术进展

马亢，周庆峰，施传信，裴冬丽，闫永峰
（商丘师范学院生命科学学院，河南商丘476000）

摘要：激光共聚焦显微镜技术发展迅速，新技术主要集中于从提高分辨率、降低光毒性、提高扫描速度、活体观察等方面提升激光共聚焦显微镜的功能，各种新技术带来更多的生物学应用潜力，因此有必要梳理分析各项新技术的原理。本研究归纳分析了光门控、白激光、GaAsP光谱检测器、超高分辨率、活细胞工作站、光片成像系统、多光子、相干反斯托克斯拉曼散射、激光捕获显微切割等技术的原理和应用潜力。并指出了现有技术在扫描速度、兼容性、样品适用性等方面的不足，展望了下一步的研究方向。该论文供研究人员在熟悉和了解新技术的基础上更加清晰的获知“基于什么样的技术能够达到什么样的生物学功能”，进而获得更多的实验思路。

关键词：激光共聚焦显微镜；实验室管理；大型精密仪器；超高分辨率

0　引言

激光共聚焦显微镜的应用广泛，作为生物学荧光分析的顶级实验平台，实验数据可靠，分析处理软件功能丰富。可对活细胞组织或细胞切片进行连续扫描，进而获得高分辨率的细胞骨架、染色体、细胞器和细胞膜系统的三维图像，可以通过定量软件在亚细胞水平上分析Ca2+，pH值，膜电位等生理信号及细胞形态的变化。在细胞及分子生物学、抗癌药物筛选、大脑和神经科学、免疫学、形态学、食品卫生、发酵、遗传学、药理学等领域具有不可替代的作用。近几年随着技术的突破，尤其是2012年以后各主要厂家主力产品升级换代后，大量新技术获得突破和授权，并成功实现商业化。尤其是以超高分辨率、多光子、活体工作站、相干反斯托克斯拉曼散射为代表的新技术使激光共聚焦显微镜平台具备了更强大的功能和更丰富的生物学应用潜力。各种新技术组件执行不同的功能、能够达到不同的生物学功能，并且不同组件之间具有成套性，例如门控共聚焦组件和白激光搭配，多光子系统和相干反斯托克斯拉曼散射能够获得更好效果。因此有必要梳理和分析激光共聚焦显微镜的最新技术的原理、优势和不足，以供研究人员或科研管理人员更好的使用和了解激光共聚焦显微镜，在熟悉和了解新技术原理的基础上更加清晰的获知“基于什么样的配置平台能够达到什么样的生物学功能”，进而获得更多的实验思路。

1　激光共聚焦显微镜

激光共聚焦显微镜是高度集成化的光学显微镜，在农业科学的形态学研究中具有极重要的地位［1］。其基本原理是以激光作为光源，采用共轭聚焦技术消除焦点以外杂散光的干扰，极大的提高了分辨率。利用快速扫描成像和Z轴步进可以实现三维成像和光学切片。系统包括研究级显微镜、激光器、检测器、扫描器、工作站、防震台等主要部件［2］。

2　现有最新商用技术解决的问题和思路

近几年投入商用的重要技术包括：光门控、白激光、GaAsP光谱检测器、超高分辨率显微术、活细胞工作站、光片成像系统、多光子显微镜、相干反斯托克斯拉曼散射、激光捕获显微切割技术。

各种最新技术以组件形式加装于现有激光共聚焦显微镜平台，主要解决提高分辨率、降低光毒性、提高扫描速度、厚样品观察、活体观察等方面。其中分辨率和降低光毒性是相互矛盾难以平衡的，提高分辨率需要加强荧光信号，增强激光照射功率和时间，这样会降低染料荧光寿命，降低样品的存活率等。而降低光毒性意味着减少激光照射的功率和时间，明显是不利于荧光信号的收集［3］。所以各种最新技术如光门控、磷砷化镓混合检测器、高速扫描、光片技术、超高分辨率等都是以降低背景信号、增强灵敏度、在使用较弱功率激光下提高信号强度为目的。图1为激光共聚焦显微镜最新商用技术主要解决的问题和思路。

3　激光共聚焦显微镜最新商用技术组件解析

3.1光门控

荧光染料的激发和发射之间存在一个时间距离即荧光寿命（多在ns级别）。光门控技术（Light Gate）是用脉冲光源在极短的时间内对荧光染料刺激，然后在可调整时间的窗口内（ns级别）用高速检测器检测荧光信号，由于检测时间窗口可以根据荧光染料的性质调整最佳检测时间从而避免了背景信号的干扰。此外由于使用了脉冲信号和高速检测器的联动（类似相机快门原理），因此可以有效的去除自发荧光的干扰信号。实际应用中可以利用光谱分析技术（rectangular lambda square plot）根据荧光寿命分离染料完成多色成像——即通过光谱扫描分析得到样品中染色荧光的最佳时间窗口，一次只收集一种荧光的信号可以去除自发荧光及反射和散射光的干扰信号、进而获得更高的信噪比。

图1　激光共聚焦显微镜最新商用技术

3.2白激光

传统激光共聚焦显微镜使用激光管作为激发光源，常用的例如紫外激光器（405 nm）、HeNe激光器（543、633 nm）、Ar离子激光器（458、476、488、496、514 nm）受制于激光器的制约，常用激光激发谱线比较少。只具有少量的固定的激发谱线。在实际研究中，尤其是针对自发荧光较多的样本的研究中，以上几种常用激发谱线并不能很好的完成任务。白激光是一种脉冲激光，使用1060 nm的皮秒激光作为原始光源在功率放大后经超连续光纤提供完整的可见光谱［4］。在AOBM的配合下可以同时获得最多8束光线可以获得在470～670 nm之间的连续激发谱线。白激光技术可以实现光谱分析技术（rectangular lambda square plot）和门控技术（Light Gate），可以在470～670 nm之间筛选荧光蛋白、鉴定自然荧光、为自发荧光的样品找到最佳的标记染料、自动获得最优的激发波长和发射区间。

3.3 GaAsP光谱检测器（磷砷化镓光谱检测器）

传统激光共聚焦显微镜一般采用PMT检测器（光电倍增管检测器），入射光子在1000 V的电压下通过级联倍增输出阳极。新型的磷砷化镓混合检测器，入射光子经GaAsP（磷砷化镓光阴极）在8.5 kV真空高压加速下获得电子轰炸增益和雪崩增益输出阳极。相比PMT检测器具有低本底噪声、高灵敏度、宽动态范围等优点。更高的灵敏度和更低的本底噪声意味着对样品可以使用更低的激光强度，可以减少对样品的光毒害进而获得更高的细胞成活率。由于磷砷化镓混合检测器的检测特点，可以实现光子计数提供更加精确的定量实验结果［5］。

3.4超高分辨率显微术

Eric Betzig，Stefan W.Hell，W.E.Moerner三位科学家因在超高分辨率荧光显微镜方面的研究获得了2014年诺贝尔化学奖。光学显微镜分辨率存在一个极限：如果光经过的不是一条狭缝，而是一个圆孔，那么圆孔会在各个方向上限制光的传播，从而光在各个方向上发生衍射，得到的不是一个理想的点，而是一个有一定大小的衍射斑或者叫爱里斑（Airy Disk）［6］。由于光的衍射现象显微镜不能把光汇集成无限小的点，当2个点离得很接近时，两者的爱里斑会重合形成一个圆斑，在光学显微镜中2个点就变得不可分辨。因此爱里斑的直径就是光学显微镜的理论最高分辨率，经估算约为200 nm，被称为阿贝极限。而突破200 nm光学极限的显微技术被称为超高分辨率或纳米显微技术（Nanoscopy）［7］。目前能够实现商业化并和激光共聚焦显微镜成套使用的技术主要有以下几种。

3.4.1受激发射损耗显微术（Stimulated Emission Depletion Microscopy，STED）2014年诺贝尔化学奖得主之一的Stefan W.Hell发明的受激发射损耗显微术（Stimulated Emission Depletion Microscopy，STED），目前已被授权给德国徕卡公司（现已被美国丹纳赫公司收购）并实现了在激光共聚焦显微镜平台上的商用。STED技术中使用两束光，一束为激发光、一束为损耗光，两束光以同心圆形式（损耗光直径大于激发光）照射样品，激发光使衍射斑内的荧光分子处于激发态，损耗光使激发光光斑外周的电子以受激发射的方式回到基态，失去发射荧光分子的能力。而激发光光斑位置不受损耗光影响继续以自发荧光的方式回到基态。由于在受激发射过程中所发出的荧光和自发荧光的波长及传播方向均不同，因此真正被探测器所接受到的光子均是由位于激发光斑中心部分的荧光样品通过自发荧光方式产生的。由此，有效荧光的发光面积得以减小，从而提高了系统的分辨率［8］。增加损耗光的强度可以提高STED的分辨率。现有技术下可以实现50 nm以下的分辨率［9］。由于STED技术采用激发光和损耗光2种激光扫描样品，高度依赖于染料的荧光寿命。配合白激光和磷砷化镓混合检测器及光门控技术可以降低STED所需的光强度，降低对样品和染料的损耗。提高系统活细胞成像的性能。STED技术不需要一个个的读取荧光分子，可以通过光斑的大小控制分辨率，实现在20～200 nm之间可控的分辨率变化，观察时可在分辨率和扫描速度之间灵活掌握，有利于快速的观察活细胞内的实时变化。此外STED技术另一优势是对样品没有特殊要求，不需要内源性的特殊荧光标记蛋白，理论上任何适用于激光共聚焦显微镜的样品都可以观察（但若要获得更高的分辨率，需要保证样品高密度的荧光标记），目前可以用多条STED激光线的形式实现多色超高分辨率观察，允许同时对样品使用多种荧光染料［10-11］。缺陷在于Z轴方向的三维成像分辨率远低于其他超高分辨率技术，且结构复杂价格昂贵。

3.4.2光激活定位显微技术（Photo Activated Localization Microscopy，PALM）2014年诺贝尔化学奖得主之一的Eric Betzig发明的光激活定位显微技术（Photo Activated Localization Microscopy，PALM）目前已被授权给德国卡尔蔡司公司并实现了在激光共聚焦显微镜平台上的商用。其基本原理是：PALM是一种单分子显微技术需要对样品标记光切换蛋白（如PA-GFP，未激活前不发光，经405 nm激光激活后，才可经488 nm激光激发出绿色荧光），通过405 nm激光低强度照射细胞表面，一次只激活极少量的PA-GFP荧光分子，然后再通过488 nm激光照射精确定位这些荧光分子，定位后用较长时间的488 nm激光漂白已经正确定位的荧光分子（使之不能再被激活）。之后，分别用405 nm和488 nm激光来激活和漂白其他的荧光分子，依此循环上百次，获得目的区域内的所有荧光分子的精确位置，即可合成超高分辨率图像［12］。最高可实现的横向20 nm和轴向50 nm的分辨率。PALM技术需要对样品标记光切换蛋白，只能观察外源表达的蛋白质，对细胞内源的蛋白质无法观察。

3.4.3随机光学重建显微法（Stochastic Optical Reconstruction Microscopy，STORM）STORM技术（StochasticOpticalReconstructionMicroscopy，STORM）是华裔科学家庄晓薇开发的一种超高分辨率技术，目前日本尼康公司已将此技术实现商用。STORM技术原理和流程类似于PALM技术，主要区别在于使用了具有光激活性的化学荧光分子代替了外源表达的光切换蛋白。利于具有光激活性的化学荧光分子（如Cy3和Cy5的交联分子）交联到特异的蛋白质抗体上，就可以用抗体来标记细胞的内源蛋白。改进了PALM技术只能观察外源表达的蛋白质，对细胞内源的蛋白质无法观察的缺陷。改进的STORM技术可以使用两种或以上的荧光分子探针，可以同时观察多种蛋白的空间相对位子［13］。最大分辨率可以达到XY轴20～30 nm，Z轴50 nm。但是因为抗体标记的内源蛋白并是一对一的。因此STOM不能量化蛋白质分子的数量［14］。

3.4.4饱和结构照明显微技术（Saturated Structure Illumination Microscopy，SSIM）蔡司公司和GE旗下的API公司都推出了基于SSIM技术（Saturated Structure Illumination Microscopy，SSIM）的超高分辨率技术，其中蔡司的SSIM可搭载于原有激光共聚焦平台，并可与PALM技术同平台共同使用。SSIM基于莫尔纹原理，通过非线性结构光学照明将多重相互衍射的光照射样品，然后从收集的发射光模式中提取分辨率信息［15-16］。最大分辨率可以达到50 nm，优势在于使用任何荧光染料都可以达到XY轴100 nm的分辨率［17］。

3.4.5图像超分辨率重构（Super Resolution，SR）图像超分辨率重构（Super Resolution，SR）主要通过配合60X或100X油镜将共聚焦焦点小孔缩小，以强激光将样品扫描20～50次后通过软件将低分辨率的图像合成为高分辨率图像。这并不是一种真正意义上的超高分辨率，存在一定的假信号风险，观察时必须使用高倍油镜。且运行中需要以强激光对样品扫描20～50次，荧光淬灭严重，不适于观察活细胞［18］。其优势是适用范围广，不需要对样品进行特殊处理，几乎适用于所有荧光样品。XY轴分辨率最高可以达到120 nm。

3.5活细胞工作站（Live cell Imaging System）

为了更好的观察活的细胞或组织活体等，各厂家均推出了作为组件可加装于目前激光共聚焦显微镜平台的活细胞工作站（Live cell Imaging System）。其突出特点是利用各种工程技术起到活细胞长时间快速观察的目的。活细胞工作站的核心部件包括：（1）细胞生长环境控制，如二氧化碳、温度、PH、适度等的调节。（2）零漂移补偿系统，细胞会在培养基中漂移，为了实现长时间的自动观察，需要对细胞位置进行红外定位，以保持显微镜焦平面始终跟随目的样品。（3）电动载物台，利于样品中多细胞的快速观察。（4）有的活细胞工作站还搭配了显微操作系统，为转基因、胚胎研究等提供了重要支持［19］。

3.6光片成像系统

光片成像主要是采用一层光束薄片从样品侧面激发荧光，与传统的共聚焦显微镜相比，光片成像系统采用了线性的照明取代了点扫描，最大的优势是具有更好的成像速度、更低的光毒性及更低的光漂白效应，因此对样品和荧光染料更温和，适宜于长时间的连续观察，配合活细胞工作站可以实现长达数天的活体观察。特别适用于活体成像和神经学、胚胎发育生物学领域研究。在表达水平较弱的内源表征水平研究中具有重要优势，例如近期的研究热点CRISPR/Cas系统（成簇的规律间隔的短回文重复序列/CRISPR相关核酸酶）等人工核酸酶的基因组编辑方法使用荧光标记内原性蛋白质。它们所产生的转基因生物体带有目的基因，其表征水平较低，同时有较高的生理相关性。但共聚焦显微镜往往会迅速漂白相关分子的微弱荧光。因此采用光片成像系统能够很好的观察此类脆弱信号［20］。目前已有相关商用公司实现在共聚焦显微镜的基础上通过组件的形式搭建光片成像平台。二者共用激光光源和成像设备，可以在研究中实现短时间共聚焦观察和长时间光片成像的结合。

3.7多光子显微镜（Multi-Photon Microscopy）

多光子激光显微镜（Multi-Photon Microscopy）是将多光子激发技术应用于激光共聚焦显微镜的一种新技术。多光子激发的原理是：荧光分子可以同时吸收两个或多个长波长的光子，随后荧光分子在经过一个时间极短的激发态寿命后发射出一个波长较短的光子。这个过程与使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分子的效果是一样的［21］。多光子激发需要很高的激光光子密度（5×1012W/cm2），为了同时达到保证能量和不损伤细胞的目的，多光子激发需要特殊的激光器（飞秒级脉冲可调谐锁模红外激光器），其特点是具有很高的峰值能量和极高的频率（脉宽100 FS，频率80 MHz～100 MHz），从而达到降低平均能量的目的，在保证多光子激发的同时降低热效应和光毒性。为了将汇集足够高的光子密度需要使用高数值孔径的专用物镜。由于多光子激发需要极高能量，因此只有在物镜聚焦点上才能聚集足够的光子密度达到多光子激发的效果，焦平面以外很少产生杂散光，因此多光子显微镜不需要共聚焦针孔，具有更高的灵敏度和荧光信号收集率［22］。由于多光子激发使用的是远红外波长光，相比短波长的光具有很多的天然优势：长波长相对短波长光受散射影响较小所以具有更强的穿透性（单光子激发所用的紫外或可见光在光束到达焦平面之前易被样品吸收而衰减，不易对深层样品激发）、长波长光相对短波长光对细胞光毒性更小。此外由于聚焦方式不同，多光子显微镜不需要共聚焦针孔，多光子激发只发生在物镜的焦点上，只有焦平面上才会发生光漂白和光毒性，焦平面外的荧光分子不被激发使较多的激发光可以到达焦平面，使激发光可以穿透更深的标本。因此由于兼具了更强的穿透性和更低的细胞光毒性，多光子显微镜更适宜长观察较厚样品或活细胞（如胚胎、神经细胞、活体观察、电生理、人体组织等）［23］。其自身缺点有：分辨率不及共聚焦显微镜；热效应大对样品有影响；无法观察红外光强吸收的样本；结构复杂，购买和维护费用远高于一般共聚焦显微镜。近期有些厂家开发出了多光子激发与超连续光谱、STED（受激发射损耗显微术）或TIRF（全内反射荧光成像）联用的技术使多光子显微镜分辨率得到进一步提升［24-25］。

3.8相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-stokes Raman Scattering，CARS）技术

相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-stokes Raman Scattering，CARS）是一种基于分子振动能级的三阶四波混频非线性光学过程，需要有3个光子参与（泵浦光、斯托克斯光、探针光），通常泵浦光和探针光来自同一个光脉冲，托克斯光来自另外一个光脉冲。在泵浦光场Ep（ωp），斯托克斯光场Es（ωs）和探针光场E’P（ω’p）相互作用下的样品分子会产生一个频率为ωas=2ωp-ωs的反斯托克斯场Eas。CARS技术具有重大优势：首先，CARS是一个光的相干过程，观察是基于样品分子本身的分子结构，不需要荧光染料即可观察，对样品本身几乎没有任何伤害。但是由于获得样品的完整信号，需要多次调节泵浦光，斯托克斯光以获得不同特征震动能级的CARS信号［26］。因此扫描时间过长，很难获得样品的动态图像。为了克服以上缺点，目前有厂家开发出了将多光子、CARS和SHG（二次谐波成像）相结合的激光共聚焦显微镜平台，利用各种技术的组合相互弥补缺陷［27］，将CARS和结构照明的联用，可以将CARS的空间分辨率提高到了120 nm［28］，此外，利用飞秒脉冲激光器可以同时激发CARS信号和双光子荧光信号的特性，CARS与多光子显微镜联用的潜力很大［29］。但是其成本，维护、保养和使用等方面的难度可想而知。

3.9激光捕获显微切割技术（Laser Capture Microdissection，LCM）

激光捕获显微切割技术（Laser Capture Microdissection，LCM）是利用激光将经特殊处理的样品按目的区域选择性切割分离并收集的技术，其基本原理是将样品处理后吸附在乙烯乙酸乙烯酯膜（EVA）上（因其最大吸收峰接近红外波长，对切割和观察没有太大影响）。在显微镜视野下选取目的区域（可以是组织或者单细胞等）利用氮激光切割相关区域EVA膜，然后经收集系统收集实现显微分割。因激光切割作用在EVA膜上，热效应被EVA膜吸收，实现了非接触式分割，能够保证样品不受伤害［30］。目前LCM技术只能实现XY轴上的切割。LCM技术可以较为方便的获得单细胞的DNA和蛋白质，可以实现单细胞PCR。因为其能够解决组织中细胞异质性问题，现已成为癌症研究中的一项基础技术［31］。LCM技术相对激光共聚焦显微镜需要特殊的物镜（需要承受切割激光）、机械臂定位系统、专用的切割激光光源，以及一套专用的收集系统。

4　展望

从上文总结来看，激光共聚焦显微镜在技术层面上为了获得更好的观察效果，着力于从提高分辨率、降低光毒性、提高扫描速度、厚样品观察、活体观察等方面提升技术水平。目前来看最有效，对激光共聚焦显微镜技术推动最大的是超高分辨率显微术，突破光学极限使研究者能够获得更精细的细胞结构，有利于研究者更深刻的认识生命活动。但是在获得超高分辨率的基础上，获得活的动态的图片更能够深刻解释生命过程，因此激光共聚焦显微镜技术下一步的研究重点应该集中在以下几点。

4.1更快的扫描速度

目前共聚焦扫描速度受限于扫描设备的机械结构，要想获得更快的扫描速度只能牺牲分辨率。而很多生物过程非常迅速，目前仍然无法检测。

4.2更完美的超高分辨率技术

目前超高分辨率技术有STORM、PALM、STED和SSIM几种技术，分辨率从20～200 nm不等，但是各种技术均有一定缺陷，例如在样品处理、Z轴方向、光毒性等方面还不近完美，在实际观察中往往很难达到极限分辨率。

4.3更强的兼容性

激光共聚焦显微镜技术涉及到多种激发方式，例如上文提到的多光子和光片式观察，相干反斯托克斯拉曼散射在理论上可以公用一套激光系统。超高分辨率显微术可以搭配白激光技术。但目前由于各公司的专利问题，在成套性和兼容性上尚有改进余地，目前的设备并无法充分发挥应用的技术优势。

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The Progress of Confocal Laser Scanning Microscope

Ma Kang，Zhou Qingfeng，Shi Chuanxin，Pei Dongli，Yan Yongfeng
（Shangqiu Normal University Department of Life Science，Shangqiu 476000，Henan，China）

Abstract：At present，the technique of confocal laser scanning microscope is booming.The new techniques aim to improve the functions of the confocal laser scanning microscope from the following aspects：improving resolution，decreasing phototoxicity，and enhancing scanning speed and viviperception.Meanwhile，the potential of biological applications is great with the help of these new techniques，so it is necessary to sort out and analyze the principles of these new techniques.This essay mainly analyzed these techniques’principles and potential of light gate，white laser，GaAsP，ultrahigh-resolution，live cell imaging system，light-sheet，multi-photon microscopy，coherent anti-stokes raman scattering，laser capture microdissection.Besides，the future research direction and the shortcomings of the existing techniques in scanning speed，compatibility，applicability of samples were also analyzed.This essay can assist researchers to learn more about the new techniques and obtain biological functions based on corresponding kind of technique，and acquire more ideas for experiment research.

Key words：Confocal Laser Scanning Microscope；Laboratory Management；Large-scale Precision Instrument；Ultrahigh Resolution

中图分类号：Q-336

文献标志码：A论文编号：cjas16010025

基金项目：国家自然科学基金“番茄MADS-box类转录因子新基因ShMADSTF的抗病分子机制”（31571997）；河南省科技厅科技攻关项目“微生物转化法高效制备橄榄油活性成分羟基酪醇”（152102210125）。

第一作者简介：马亢，男，1983年出生，河南商丘人，实验师，硕士，研究方向：实验室管理，科技产业化。

通信地址：476000河南省商丘市商丘师范学院生命科学学院。 476000河南省商丘市商丘师范学院生命科学学院。

通讯作者：闫永峰，男，1967年出生，河南杞县人，教授，博士，研究方向：野生动物调查和生态研究。

收稿日期：2016-01-29，修回日期：2016-04-21。