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尼康顯微鏡:完美的對焦係統(PFS)

2013-10-16  發布者:admin 

目前在熒光蛋白技術革命驅動廣泛的相關聯的方法,包括使用的活細胞在熒光顯微鏡的各種攝像模式。在過去的幾年中,由於豐富的動態信息,它可以提供有關細胞功能的基本性質,在許多細胞生物學實驗室的活細胞成像已經成為一個必不可少的工具。也許最有趣的生物學問題,包括那些關於增長,分化,分裂和細胞凋亡的可視化在活細胞中,最終將被回答了長期的顯微鏡使用時間推移成像技術的調查。活細胞成像,其中的細胞必須保持在一個健康的環境,在顯微鏡舞台上,提出了一係列的挑戰,以確保細胞維持生命,在整個試驗過程中關注的焦點。本發明提供的環境條件是理想的,最顯著的陷阱成像活細胞是固有的焦點漂移,經常發生由於熱梯度,振動,機械不穩定性,以及一些其他因素。

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通過創建一個唯一的硬件解決方案,尼康已經解決了這個問題的焦點漂移,被稱為完美的對焦係統(PFS),其目的是打擊軸向重點長期影像學檢查過程中實時波動。廣泛的幹,水和油浸物鏡,從4倍到100倍具有不同的數值孔徑和工作距離,可以使用TIE-PFS倒置顯微鏡聚焦補償。被容納在一個專門的的物鏡轉盤單元(圖1),並不需要額外的的無邊空間和使主顯微鏡光學火車保持專用於成像的近紅外870-納米LEDCCD行傳感器,利用由PFS。其中最先進的功能的尼康PFS5毫秒(200赫茲)的采樣率,這是獨立的顯微鏡和相機控製軟件,並大大快於其他係統的的蓋玻片接口到焦平麵的利益都必須反複探討。利用長波長的LED,使鐵PFS使用了大量的各種熒光基團發射的波長範圍在340750納米之間。此外,PFS可用於幾乎所有的對比增強成像模式,包括明場,暗場,相襯,霍夫曼調製對比度,DIC,寬視場熒光,激光共聚焦,TIRFM,旋轉盤,和掃描線掃過場。

 

PFS的多功能性是顯而易見的,從範圍廣泛的熒光探針,可用於活細胞成像焦點漂移補償。如上所討論的,在PFS單元的帶通幹涉濾光器跨越寬的傳輸範圍中的340750納米(見圖2;左紅色曲線),使應用程序的所有公知的熒光蛋白質(包括發射近紅外植物光素),量子點,和最流行的合成的熒光團(範圍從Fura-2Cy5標記的Alexa Fluor700,並且最在ATTO染料)。該係統還采用了用於透射(透射光)的細胞培養的照明使用上麵列出的傳統的對比度增強技術的紅外截止濾光器。通過除去從PFS單元內部的紅外阻擋濾波器,它可以適合於用激光鑷子和激光俘獲應用程序,以及作為一個部分的多光子激發光譜區域。濾波器的通帶為可見光和近紅外區域的PFS係統(紅色曲線;870納米LED)和其他的重點補償係統(藍色曲線約780納米LED),如圖2所示。請注意,在加油站的較長波長的LED能夠使用的熒光團發射的波長處,在其他係統中的衝突的焦點檢測。廣泛的物鏡(超過50種)兼容的PFS單元包括油和水的浸泡,幹許多不同的設計和修正的物鏡,相襯物鏡,有長工作距離的幾個可選的物鏡

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在除了加油站所提供的寬的熒光基團的發光波長範圍,高的聚焦校正的采樣率是至關重要的實驗,需要在實時速度或更快的成像。許多市售的聚焦補償係統調整焦點之前觸發圖像捕獲軟件,這嚴重限製了可用的在收集連續圖像之間的最小時間間隔。例如,當在5秒每幀的成像,大多數焦點漂移補償係統就足夠了。然而,一個係統,需要500毫秒的時間來采樣的聚焦狀態將限製圖像采集速度幾乎是第二個(或更多),根據攝像機的積分時間。這將創建一個巨大的瓶頸,對於許多應用程序在活細胞成像。通過解偶聯重點從圖像采集取樣,PFS連續的圖像采集速度範圍從幾毫秒到分鍾不中斷。事實上,捕捉速度是有限的一體化攝像機的時間,而不是集中位置采樣。連續采樣功能是非常有用的監測實驗,在高速的幾個橫向切片位置(需要XY載物台的翻譯),調查(如使用熒光蛋白的生物傳感器監測鈣波感應),要求迅速加入試劑的切片室在一個實驗的過程中,隻有幾毫秒的持續期間。

 

完美的對焦係統剖析

關鍵的基本概念尼康PFS是一個合適的軸向(z)的參考平麵,可以被用來建立一個確切的近端之間的關係的物鏡前透鏡元件的位置和感興趣的焦平麵內的切片,準確地檢測。完成該任務使用的近紅外光(870納米),所產生的輔助的光學係統,和引入主顯微鏡光學列車通過二色鏡。在870納米的光,這不會幹擾正常的透射光或熒光觀察,由物鏡聚焦到駐留之間的蓋玻片(折射率1.5)和周圍介質的試驗片(折射率的折射率邊界,1.33-1 .38)時使用油浸泡的物鏡。水的折射率邊界作為參考平麵,當浸泡水或油的物鏡,但幹物鏡使用空氣玻璃蓋玻片上麵臨的物鏡前透鏡元件的相對側上的邊界。

 

在操作中,研究者專注於感興趣的平麵內的檢體(通常的生活,貼壁細胞的培養,在一個專門設計的成像室)和激活的PFS單元,然後投影到參考平麵和所述近紅外線圖案定義了一個偏移量或軸向參考平麵之間的距離和切片焦平麵。 PFS的連續位置數據饋送回的電路控製的顯微鏡聚焦機構保持在參考平麵和成像焦點之間的精確關係。偏移的程度是由操作員控製,並且是由一個步進電機(0.025微米的軸向分辨率)的PFS單元中保持恒定,不論獨立的垂直波動發生的檢體的位置或顯微鏡光學列車。線性編碼器的寄存器的位置坐標的物鏡類型的一個函數的物鏡轉盤,並用來作為一個計量裝置,以確定位置的物鏡有關的參考平麵。因此,物鏡轉換盤的軸向位置和焦點偏移量可以被注冊和存儲每個物鏡與線性編碼器的電子控製裝置。

 

尼康PFS單元被安置在六個物鏡機動定位之間的熒光過濾器設置炮塔和舞台上倒模型Ti-E顯微鏡的物鏡轉換器。為係統的電子控製器被集成在該幀之內,所以本機工作在獨立模式下,而不需要一個軟件接口到主機計算機。完美的對焦,使用杠杆的住房擺動二色鏡流入或流出的主要眼鏡直通車在平行光區域的波下的物鏡,可以從事或脫離。公司內的PFS單元是一個單獨的光學係統,包含偏移的透鏡,光束成形光學元件,近紅外870納米的光的發光二極管,和一個線CCD探測器。為LED的光源和檢測器的單獨的光學列車在半透半反鏡的中央部的單元相交,並從主使用可切換的主要的二色鏡的光學係統的近紅外光被引導和檢索。的PFS的一個獨特的特點是,形成的圖像和聚焦檢測係統共享相同的光學火車的一部分,但可以彼此獨立地運行沒有在它們的光譜的組合物的差異所造成的幹擾。

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示於圖3是一個示意圖,示出在主(成像成形;黃色光線跟蹤)和焦點檢測(紅色射線的痕跡)所使用的光學係統來監視和維護焦點。第一,由LED發射的近紅外光通過聚光透鏡和狹縫板(具有的長軸垂直於頁麵),共用一個共軛平麵的玻璃液界麵在蓋玻片。準直透鏡的狹縫狀的光轉換成平行束,並將其傳遞通過一個半月形瞳孔限製掩模塊沿光軸的中央區域的光的一部分。然後,該光束被透射穿過半反射鏡,它也用作到檢測器上的光學列車的交點。第一,通過半透半反鏡透射的光聚焦偏移的調整透鏡係統,然後直接通過之前進入主顯微鏡的光學係統的交點的PFS單元作為通過二色鏡的可見光截止濾光器。

 

交叉的二色鏡(物鏡下方的定位),它反映的近紅外光,並通過可見光,是一個主要組成部分的遠焦無窮大的空間(平行光的波陣麵)的圖像形成,並集中檢測光學係統。從PFS單元的近紅外光進入主光學係統從反射鏡表麵反射後,通過物鏡聚焦到所述切片腔室。請注意,物鏡還操作以同時點亮(在熒光模式下),並接收從檢體的圖像形成的波前。正如在圖3中示出的光學係統,圖像形成組件包括物鏡,各種二色鏡和過濾器,管透鏡,相機中繼透鏡,和主CCD圖像檢測傳感器(表示在黃色射線痕跡)。的紅外截止濾光器可以被放置在主光火車之間的PFS交集和相機係統,以確保從聚焦檢測單元的近紅外光的雜散不幹擾圖像形成。

 

3中描繪的可見和紅外截止濾波器用於清洗汙染的彼此的光的各自的光學係統(攝像和PFS)。因此,可見光截止濾光器(放置在入口處的PFS光學火車)確保熒光發射和傳輸寬帶可見光輻射不輸入PFS光學係統和擾亂線傳感器或LED光源。同樣地,位於下方的交叉的二色鏡的紅外截止濾波器用於去除PFS-產生的光進入光學列車的攝像部,並創建由圖像傳感器,可以檢測到的噪聲。因此,這兩個獨立光學係統共享隻有一小部分的整體成像光學列車,包括交叉的二色鏡,物鏡,與切片腔室。否則,該光學係統是能夠共存,並獨立運作。

 

線狀PFS的近紅外光從玻璃的切片腔室中的水界麵反射的光束通過物鏡被捕獲,並轉換成在主顯微鏡的光學係統的平行波前。該光被反射回到聚焦探測光學列車二色鏡相交,並再次穿過前的可見光截止濾光器和偏置調整透鏡組件被反射到圖像形成PFS由半透半反鏡的檢測用的列車。進入後的PFS的檢測係統,其中包含一個冷凝(物鏡)的透鏡,兩個中繼透鏡,一個半月形掩模,柱麵透鏡,和一個線CCD探測器中,光被轉換成一個圖像的狹縫由聚光鏡頭。狹縫圖像,然後通過中繼透鏡和半月形掩模之前,進入圓筒形的線整形透鏡被投影到的表麵上的線CCD傳感器。請注意,在檢測光學列車半月形掩模的光屏蔽對應的PFS光學係統的LED部分由類似的掩模的相同的區域被屏蔽。一圓柱形透鏡壓縮和形狀的狹縫圖像,以便它形成了一個清晰的線的中央部的CCD。的PFS係統使用形狀的圓形光束,以減少與檢測的玻璃液界麵的散射和其他構件,而不是由狹縫的光。

 

PFS單元的一個關鍵部件是偏置調整透鏡係統,它位於之間的半反射鏡和第一二色鏡,並與在圖4中的示意圖概述。由於其定位,偏移的透鏡係統,由兩個LED狹縫照明和線CCD圖像形成光學列車的PFS共享。的偏移量的係統運行轉移的PFS狹縫圖像的焦點位置在和諧與一個電子反饋循環,該循環控製顯微鏡軸向(z)的位置,從而使該係統創建的檢體和玻璃 水界麵的完全獨立的焦平麵。檢體圖像平麵被定向到檢測器或目鏡,通過兩個獨立的光學係統的狹縫圖像被定向到的PFSCCD探測器。

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在圖4a)中,提出的縮寫版本的光學列車含有隻把偏移透鏡和主顯微鏡物鏡,以及檢體和蓋玻片,為了簡潔起見,說明。此外,圖例介紹了參考平麵的蓋玻片的下表麵上的空氣 玻璃界麵駐留在用於幹物鏡的情況。黃色射線痕跡指的圖像形成的主顯微鏡的光學係統的光波。黃色的光線不通過的PFS光學列車由於限製上述​​二色鏡,它指示這些圖像形成的波陣麵的目鏡或其他探測器。紅色射線的痕跡綱要重點檢測光波和的PFS單位收集。的偏移量的透鏡組件被稱為為轉台透鏡和在圖4中的偏移量的透鏡。這些透鏡移位的PFS生成的狹縫圖像,這是預計到蓋玻片接口,來回沿著光軸,他們也同時移動的反射圖像向上或向下跨線CCD探測器的像素。的偏移量的係統的設計,以使操作者選擇的區域的切片物鏡的焦平麵重合,同時保持固定的距離的物鏡前透鏡元件和切片蓋玻片之間使用PFS漂移校正硬件。

 

偏移量的係統炮塔透鏡被固定在光軸上(並入多透鏡刀架),而偏移鏡頭本身允許沿著光軸來回轉換的狹縫圖像的位置移動。的PFS單元初始化後,物鏡的焦點(F)和的的PFS狹縫圖像(A)在蓋玻片和介質浴的切片(圖圖4a))之間的界麵區重合。這種情況被稱為零點偏移。為了引入物鏡焦平麵和狹縫參考平麵的偏移量之間的距離,操作員可以打開的PFS偏移控製器撥號搬遷的偏移量的透鏡,從而狹縫圖像的焦點。在圖4b)圖中,透鏡被移動的距離為x,這導致在一個移位的狹縫圖像焦點A到一個新的位置更接近物鏡。因為偏移的透鏡具有的物鏡的圖像形成的光波​​(焦點F)的焦點上沒有影響,正在兩個焦點在相對於彼此偏移。一旦PFS反饋回路調整搬遷狹縫像焦點在蓋玻片界麵(圖圖4c))的點(A)的物鏡位置,物鏡焦點(F),然後移動到切片的中央部。在操作者的便利性的距離可以改變之間的焦點FA的偏移量,以及被稱為探測切片中的各種深度。

 

可與PFS單元的偏移量的範圍是由所使用的類型的物鏡,但通常從蓋玻片上接口(零毫米)範圍內,以最大的油浸物鏡大約為10微米,20微米的水浸泡的物鏡,以及高達至100微米或以上的幹性的物鏡。需要注意的偏移範圍內降低物鏡的工作距離,因此具有高數值孔徑的油浸物鏡,具有很淺的震源深度的限製值。成功能夠監視的z參考平麵的軸向位置的其中一個最重要的方麵,是近紅外光在界麵處反射的光束的信號強度。使用浸油的物鏡時,油和蓋玻片玻璃之間的界麵處的狹縫圖像的反射率是有效的零,因此不會幹擾聚焦控製。隨著水浸泡的物鏡,在此界麵處的反射率的值等於界麵(在切片上側)的上部的蓋玻片上,但這些高倍率和數值孔徑物鏡的焦點深度淺,確保不會幹擾與PFS控製下反射功能。相反,對於幹燥的物鏡,蓋玻片 空氣界麵處的反射率是10倍大於在切片蓋玻片界麵,所以前者接口被用作用於聚焦控製的基準邊界。到光路中引入適當的炮塔透鏡可用使用寬範圍的物鏡所需的偏移量的差異可以通過以下方式獲得。

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在操作期間,控製的物鏡位置,並反過來,焦平麵成像的檢體和PFS狹縫(在圖4中的AF,分別),是由線CCD傳感器上的狹縫圖像的投影PFS單元,如圖5所示。切片攝像室(參考接口)的情況下,在負的軸向方向(-z)的偏移,偏移沿的CCD的像素行的一端的狹縫圖像和擴大。發生的反向時,腔室中的正方向(遠離物鏡偏移;+ z)在顯微鏡光軸。一旦發生移位的PFS控製器移動的物鏡,在補償的方向恢複的狹縫圖像的中心的線CCD傳感器。圖5示出了作為焦點位置的函數,(z)的線CCD傳感器上的狹縫圖像的信號強度。當PFS狹縫光被直接聚焦在參考平麵上,狹縫圖像重疊線CCD(圖5a))的中央部。通過在正的軸向方向上的距離越來越大,作為基準平麵的位移的狹縫圖像的擴大和移向的線CCD的邊緣(圖5b)至圖5d))。在負的軸向方向移動時發生的反向參考平麵。

 

CCD探測器的PFS係統中是一個關鍵因素,因為來自狹縫圖像投影到CCD表麵的信號被直接饋送到控製電子裝置的CPU中的單元,它解釋焦點信息來確定的聚焦狀態收納相對於參考平麵的物鏡。 PFS電子必要的信息,然後輸出到正確的位置,帶動物鏡轉換器的線性編碼器控製單元(裝在顯微鏡幀)。與加油站所用的每一個不同的物鏡登記的控製電子裝置提供的數據,可以使用以建立正確的物鏡轉盤位置有關的物鏡前透鏡單元。 PFS單元被激活時,鼻夾的物鏡驅動的注冊的垂直位置,然後接近一半的工作距離(約65微米的值對於一個典型的100倍複消色差物鏡)的切片腔室。在這一點上,所述參考平麵(稱為狩獵)的PFS單元搜索,直到它檢測到由線的CCD。在不能檢測到的情況下的參考平麵,在搜索操作停止後一個預定義的時間內。過度狩獵當被使用或不正確的浸油,如果檢體參數不符合要求的PFS單元可以是一個問題,這兩個條件,導致線CCD的信號檢測差。這是重要的,以確保有足夠的水溶液(培養基),洗澡的檢體或完全失敗檢測的接口也可以發生。在理想的情況下,對焦精度的PFS一般不少於三分之一的物鏡,震源深度。

 

PFS單元的設計主要是安置在專門的成像室配備蓋玻片在厚度範圍從150180微米(第1或第1.5蓋玻片)的圖像活細胞。其他切片可能要困難得多觀察焦點漂移校正由於弱的紅外線反射率或過度的散射光。這些包括高折射率介質(更密切地相匹配的蓋玻片)中所裝的固定切片。在這種情況下,從聚焦監測係統的反射光的量可能不足以檢測的接口表麵。同樣,厚組織切片,其中散布了大量的光,是難以用焦點漂移校正。厚的玻璃蓋玻片(大於180微米)或塑料組織培養皿不推薦,因為可能無法檢測到的邊界表麵由於沒有足夠的偏移。最後,蓋玻片表麵上的灰塵和碎屑可以降解的邊界檢測的精度,導致過度狩獵或焦點校正的錯誤。

 

結論
雖然有幾個商業上可用的基於硬件的焦點漂移校正係統在市場上,一切都是為了測量反射率從蓋玻片為基礎,其操作界麵。主要發生分歧的方式將每個單元完成這個任務,而這些變量有顯著影響單位可以成功地檢測出重點和捕捉圖像的速度。另一個主要的不同之處在於在複雜的例程,需要在一個實驗中,在不同的橫向和軸向位置的捕獲圖像中的各種係統的能力來處理成像。重點檢測,近紅外光的尼康PFS單位在不影響大多數形式的發送和熒光顯微鏡和不漂白或光毒性。切片中的焦點位置的控製由操作者使用的偏移量的功能,可以將焦點保持任何在viewfield位置。與幾乎所有的科學級CCD或電子倍增CCD攝像係統和用於成像的對比度增強技術在各種各樣的聚焦控製,可以實現與PFS。在其中PFS是不需要的情況下,交叉的二色鏡可以容易地從攝像光學路徑中移除,以提高光的吞吐量。當連接到適當的環境室和恒溫控製係統,尼康的PFS係統是能夠提供前所未有的精確度,在保持合適的切片中大家關注的焦點,在整個成像會議。



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