東南大學(xué)電子學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)補(bǔ)充內(nèi)容顯微鏡演示文稿_第1頁
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東南大學(xué)電子學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)補(bǔ)充內(nèi)容顯微鏡演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有72頁\編輯于星期五優(yōu)選東南大學(xué)電子學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)補(bǔ)充內(nèi)容顯微鏡現(xiàn)在是2頁\一共有72頁\編輯于星期五7.1OpticalMicroscopyThreegoals:produceamagnifiedimageofthespecimen,separatethedetailsintheimage,renderthedetailsvisibletothehumaneyeorcamera.Simplesinglelensdevicesthatareoftenhand-held,suchasamagnifyingglass.Multiple-lensdesignswithobjectivesandcondensers(compound)現(xiàn)在是3頁\一共有72頁\編輯于星期五Microscopy:HistorySimpleCompound現(xiàn)在是4頁\一共有72頁\編輯于星期五Microscopy:History現(xiàn)在是5頁\一共有72頁\編輯于星期五Microscopy:History現(xiàn)在是6頁\一共有72頁\編輯于星期五Microscopy:ImportanceBiomedicalsciences:overallmorphologicalfeaturesofspecimens;quantitativetooladvancesinfluorochromestainsandmonoclonalantibodytechniques:explosivegrowthintheuseoffluorescencemicroscopyinbothbiomedicalanalysisandcellbiology.opticalmicroscopemostimportantbiomedicalopticExplosivegrowthinphysicalandmaterialssciences;semiconductorindustry,

observesurfacefeaturesofhigh-techmaterialsandintegratedcircuitsForensicscientists:hairs,fibers,clothing,bloodstains,bullets,andotheritemsassociatedwithcrimes現(xiàn)在是7頁\一共有72頁\編輯于星期五SimpleMagnificationSo>>>2fSo>2fSo=2ff<So<2f現(xiàn)在是8頁\一共有72頁\編輯于星期五ImageformationonRetinado~25cm現(xiàn)在是9頁\一共有72頁\編輯于星期五CombinationofLensandEyeSimplemicroscope:bi-convexlens,imageperceivedbyeyeasifitwereatadistanceof10inchesor25centimeters(nearpoint)Imageappearsonsamesideoflensasobject,cannotbeprojectedontoascreen:virtualimage(upright,notinverted).Lightreflectedfromtheroseentersthelensinstraightlines,refractedandfocusedbythelenstoproduceavirtualimageontheretina.Imageoftherosemagnified:perceiveactualsizeofobjecttobeatinfinity;eyestracelightraysbackinstraightlinestovirtualimage

現(xiàn)在是10頁\一共有72頁\編輯于星期五CombinationofLensandEyeSofSilLMP=doDatl=f;DecreaselorL,increaseMP:MP=doD+1atl=0;L=doIncreaselorL,decreaseMP(D=1/f);do=nearpt~25cm現(xiàn)在是11頁\一共有72頁\編輯于星期五CompoundMicroscopeLensclosesttotheobject:objective.Lightfromcondenser,formslightconeconcentratedontotheobject(specimen).Lightpassesthroughthespecimenandintotheobjectiveprojectsareal,inverted,andmagnifiedimageofthespecimentoafixedplanewithinthemicroscope:intermediateimageplane現(xiàn)在是12頁\一共有72頁\編輯于星期五CompoundMicroscopeLfofeEyeorcameraMP=M(obj)M(e)=(-L/fo)(254/fe)現(xiàn)在是13頁\一共有72頁\編輯于星期五Airydisksandresolution.(a-c)Airydisksizeandrelatedintensityprofile(pointspreadfunction)asrelatedtoobjectivenumericalaperture,whichdecreasesfrom(a)to(c)asnumericalapertureincreases.(e)TwoAirydiskssoclosetogetherthattheircentralspotsoverlap.(d)Airydisksatthelimitofresolution.Airydisk現(xiàn)在是14頁\一共有72頁\編輯于星期五Resolutionr=1.2/2NA現(xiàn)在是15頁\一共有72頁\編輯于星期五7.2ConfocalMicroscopy現(xiàn)在是16頁\一共有72頁\編輯于星期五PrincipleofConfocalMicroscopy

現(xiàn)在是17頁\一共有72頁\編輯于星期五現(xiàn)在是18頁\一共有72頁\編輯于星期五現(xiàn)在是19頁\一共有72頁\編輯于星期五現(xiàn)在是20頁\一共有72頁\編輯于星期五PrincipleofCMThekeytechniquetoconfocalmicroscopy

SpatialFilteringTechniquesAdvantages(overconventionalwidefieldopticalmicroscopy)ControldepthoffieldEliminationorreductionofbackgroundinformationawayfromthefocalplaneCapabilitytocollectserialopticalsectionsfromthickspecimens現(xiàn)在是21頁\一共有72頁\編輯于星期五現(xiàn)在是22頁\一共有72頁\編輯于星期五HumanMedullaRabbitsunflowerMuscleFiberspollengrain現(xiàn)在是23頁\一共有72頁\編輯于星期五現(xiàn)在是24頁\一共有72頁\編輯于星期五現(xiàn)在是25頁\一共有72頁\編輯于星期五LasersThefarfieldbeginsatadistance,z,definedby(A(0)isthebeamdiameterattheexitapertureandlisthelaserwavelength)z=A02/l

現(xiàn)在是26頁\一共有72頁\編輯于星期五Wavelength(nm)BeamDiameter(mm)FarFieldDistance(cm)Argon-Ion4880.6745141.0195Helium-Neon5430.4305940.7836120.7806320.778Nd:YAG3553.025355321.0188Ti:Sapphire7902.05063952.010127900.881現(xiàn)在是27頁\一共有72頁\編輯于星期五Pinhole現(xiàn)在是28頁\一共有72頁\編輯于星期五ScanningSystem現(xiàn)在是29頁\一共有72頁\編輯于星期五Detectors現(xiàn)在是30頁\一共有72頁\編輯于星期五ResolutionandContrastResponseofAOpticalSystemPointSpreadFunction(PSF)Thepropertiesoftheintensitypointspreadfunctionintheimageplaneaswellasintheaxialdirectionaremajorfactorsindeterminingtheresolutionofamicroscope.IntensitypointspreadfunctionextendsinallthreedimensionsLateralcomponentsoftheintensitydistribution:Airydisk.現(xiàn)在是31頁\一共有72頁\編輯于星期五ResolutionandContrast現(xiàn)在是32頁\一共有72頁\編輯于星期五ResolutionandContrastOrderZeroCross-ingsPeaksI13.810027.01.7310.20.4413.30.2現(xiàn)在是33頁\一共有72頁\編輯于星期五ResolutionandContrast現(xiàn)在是34頁\一共有72頁\編輯于星期五ResolutionandContrastInWidefieldMicroscopeRayleighcriterion

forresolutionstatesthattwopointsareresolvedwhenthefirstminimum(zerocrossing)ofoneAirydiskisalignedwiththecentralmaximumofthesecondAirydisk.Thecontrastvalueis26.4percentrlateral=0.6l/NA

現(xiàn)在是35頁\一共有72頁\編輯于星期五ResolutionandContrastInconfocalconfigurations

PointwiseIlluminationScanning+PointwiseDetection

PSFconf.=PSFillum.*PSFdetc.~70%*PSFwidefieldTherefore,

rlateral=0.4l/NA

現(xiàn)在是36頁\一共有72頁\編輯于星期五ResolutionandContrastAxialResolutionWidefieldMicroscope:Noopticalsectioningcapability(a)ConfocalMicroscope:

Opticalsectioningcapability(b)現(xiàn)在是37頁\一共有72頁\編輯于星期五BenefitsofConfocalMicroscopyReducedblurringoftheimagefromlightscatteringIncreasedeffectiveresolutionImprovedsignaltonoiseratioZ-axisscanning,DepthperceptioninZ-sectionedimagesMagnificationcanbeadjustedelectronically現(xiàn)在是38頁\一共有72頁\編輯于星期五DrawbacksofConfocalMicroscopySloweracquisition-needtocollectonepixelatatimeIncreasedphotodamage(photobleaching)duetolongerexposuretoexcitinglight現(xiàn)在是39頁\一共有72頁\編輯于星期五HistoricalPerspective

ThebasicconceptofconfocalmicroscopyMarvinMinskyinthemid-1950s(patentedin1957)

M.DavidEggerandMojmirPetranmultiple-beamconfocalmicroscopeinthelate1960s

M.DavidEggerThefirstmechanicallyscannedconfocallasermicroscopeThefirstrecognizableimagesofcellsin1973.Thelate1970sandthe1980s

Growinginterestinconfocalmicroscopy.現(xiàn)在是40頁\一共有72頁\編輯于星期五HistoricalPerspectiveApplicationInstrumentsG.FredBrakenhoffdevelopedascanningconfocalmicroscopein1979whilealmostsimultaneously,ColinSheppardcontributedtothetechniquewithatheoryofimageformation.TonyWilson,BradAmos,andJohnWhitenurturedtheconceptandlater(duringthelate1980s)demonstratedtheutilityofconfocalimagingintheexaminationoffluorescentbiologicalspecimens.Thefirstcommercialinstrumentsappearedin1987.Duringthe1990s,thenumberofapplicationsthatcouldbetargetedwithlaserscanningconfocalmicroscopy.現(xiàn)在是41頁\一共有72頁\編輯于星期五Modernconfocalmicroscopes

Integratedelectronicsystemswheretheopticalmicroscopeplaysacentralroleinaconfigurationoneormoreelectronicdetectors,acomputer(forimagedisplay,processing,output,andstorage)severallasersystemscombinedwithwavelengthselectiondevicesabeamscanningassembly.現(xiàn)在是42頁\一共有72頁\編輯于星期五ModernconfocalmicroscopesAentireconfocalmicroscopeisoftencollectivelyreferredtoasadigitalorvideoimagingsystemcapableofpro-ducingelectronicimages.Employedforroutineinvestigationsonmolecules,cells,andlivingtissuesnow現(xiàn)在是43頁\一共有72頁\編輯于星期五現(xiàn)在是44頁\一共有72頁\編輯于星期五7.3ApplicationsinBiomedicine現(xiàn)在是45頁\一共有72頁\編輯于星期五熒光探針(Fluorescentprobe)

WhyneedFluorescentprobe?Stainsinfixedtissuesandlivingcells

Labelingantibodieswithfluorescentdyes-Immunofluorescence

Dyes,QuantumDots,….現(xiàn)在是46頁\一共有72頁\編輯于星期五FluorescenceExcitationandEmissionFundamentals

Luminescence

Photolumine-scence

FluorescencePhosphorescence

單光子激發(fā)熒光現(xiàn)在是47頁\一共有72頁\編輯于星期五TimescaleRangeforFluorescenceProcessesTransitionProcessRateConstantTimescale

(Seconds)S(0)=>S(1)orS(n)Absorption(Excitation)Instantaneous10-15S(n)=>S(1)InternalConversionk(ic)10-14

to10-10S(1)=>S(1)VibrationalRelaxationk(vr)10-12

to10-10S(1)=>S(0)Fluorescencek(f)orG10-9

to10-7S(1)=>T(1)IntersystemCrossingk(pT)10-10

to10-8S(1)=>S(0)Non-RadiativeRelaxation

Quenchingk(nr),k(q)10-7

to10-5T(1)=>S(0)Phosphorescencek(p)10-3

to100T(1)=>S(0)Non-RadiativeRelaxation

Quenchingk(nr),k(qT)10-3

to100現(xiàn)在是48頁\一共有72頁\編輯于星期五StokesShiftandMirrorImageRule現(xiàn)在是49頁\一共有72頁\編輯于星期五WhatisTPA?S1S0S10S1vS1S0S10S1vVirtualStateProcessofTwo-PhotonAbsorption雙光子吸收(TPA)與雙光子激發(fā)熒光現(xiàn)在是50頁\一共有72頁\編輯于星期五ApplicationsofTPAOpticalpowerlimitingFluorescenceImagingPhotodynamiccancertherapy

Microfabrication3Dopticaldatastorage現(xiàn)在是51頁\一共有72頁\編輯于星期五雙光子熒光成像(續(xù))

Hela細(xì)胞的雙光子熒光像。染料為trans-4-[p-(9-ethylcarbazde)vinyl]-N-methypyrid-iniumIodide

現(xiàn)在是52頁\一共有72頁\編輯于星期五量子點(diǎn)

又稱半導(dǎo)體納米微晶粒,直徑在1-100nm之間,能夠吸收激發(fā)光產(chǎn)生熒光的半導(dǎo)體納米顆粒

量子點(diǎn)熒光材料準(zhǔn)零維尺度人造原子現(xiàn)在是53頁\一共有72頁\編輯于星期五量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)(續(xù))

CoreShellsCoatingPlay現(xiàn)在是54頁\一共有72頁\編輯于星期五量子點(diǎn)的性質(zhì)與其它發(fā)光材料最大的區(qū)別:一種材料發(fā)多色光1)在發(fā)光范圍內(nèi)為目標(biāo)光可連續(xù)可調(diào)2)通過調(diào)節(jié)量子點(diǎn)大小對發(fā)光譜調(diào)制Play現(xiàn)在是55頁\一共有72頁\編輯于星期五我們制備的不同尺寸的CdSe量子點(diǎn)在同一激發(fā)波長(365nm)下發(fā)出的熒光。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)在是56頁\一共有72頁\編輯于星期五樣品(上圖左起2、4、6)的紫外吸收光譜以及相應(yīng)的熒光發(fā)射光譜(PL)樣品2、4、6的熒光峰值和FWHM分別為:544.8nm、581.5nm、609.8nm和20.2、17.4、21.9實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)在是57頁\一共有72頁\編輯于星期五ApplicationsLSCM的高靈敏度、高分辨率、高放大倍數(shù),提供了光學(xué)顯微鏡無法顯示的結(jié)構(gòu),使細(xì)胞生物學(xué)研究上了一個臺階。目前我們可以在亞細(xì)胞水平進(jìn)行動態(tài)實(shí)驗(yàn),檢測細(xì)胞生物質(zhì)和離子通道的變化,觀察細(xì)胞在生理、病理和藥理情況下對外界因素作用所產(chǎn)生的快速反應(yīng),進(jìn)行定性、定量、定時和定位的分析測量。最常用的功能是細(xì)胞三維重建,細(xì)胞熒光檢測和細(xì)胞顯微操作等現(xiàn)在是58頁\一共有72頁\編輯于星期五細(xì)胞的三維重建(3-DReconstruction)LSCM能以0.1μm的步距沿軸向?qū)?xì)胞進(jìn)行分層掃描,得到一組光學(xué)切片。通過計算機(jī)進(jìn)行不同的三維重建算法,可作單色或雙色圖象處理,組合成細(xì)胞真實(shí)的三維結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)不同角度可觀察各側(cè)面的表面形態(tài),也可不同的斷面觀察細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu),測量細(xì)胞的長寬高、體積和斷層面積等形態(tài)學(xué)參數(shù)。通過角度旋轉(zhuǎn)和細(xì)胞位置變化可產(chǎn)生三維動畫效果?,F(xiàn)在是59頁\一共有72頁\編輯于星期五現(xiàn)在是60頁\一共有72頁\編輯于星期五現(xiàn)在是61頁\一共有72頁\編輯于星期五現(xiàn)在是62頁\一共有72頁\編輯于星期五細(xì)胞定量熒光測定LSCM以激光為光源,對細(xì)胞分層掃描,單獨(dú)測定,經(jīng)積分后能得到細(xì)胞熒光的準(zhǔn)確定量,重復(fù)性極佳。它適于活細(xì)胞的定量分析。適用于快速高靈敏度測量,減少光粹滅的影響,在定量免疫熒光測定方面應(yīng)用廣泛,如作各種腫瘤組織切片抗原表達(dá)的定量分析,監(jiān)測腫瘤相關(guān)抗原表達(dá)的定位定量信息,監(jiān)測藥物對肌體免疫功能的作用等。細(xì)胞定量熒光測定可選用單熒光。雙熒光和三熒光方式,能自動測定細(xì)胞面積,平均熒光強(qiáng)度,積分熒光強(qiáng)度及形狀因子等多種參數(shù)。

現(xiàn)在是63頁\一共有72頁\編輯于星期五細(xì)胞內(nèi)鈣離子PH值和其它離子的動態(tài)分析通過Indo-1、Fluo-2、Fluo-3、Calciumgreen、SNARF等多種熒光探針,可對細(xì)胞內(nèi)鈣離子、鈉離子及PH值等作熒光標(biāo)記并對它們進(jìn)行比率值和濃度梯度變化測定。由于細(xì)胞內(nèi)鈣離子為傳遞信息的第二信使,對細(xì)胞生長分化起著重要作用,通過對細(xì)胞內(nèi)鈣離子和其它離子的熒光強(qiáng)度和分布精確測定,測定樣品達(dá)到毫秒級的快速變化。借助光學(xué)切片功能可以測量樣品深層的熒光分布以及細(xì)胞光學(xué)切片的生物化學(xué)特性的變化。現(xiàn)在是64頁\一共有72頁\編輯于星期五細(xì)胞胞間通訊(CellCommunication)和膜的流動性動物和植物細(xì)胞中縫隙連接介導(dǎo)的胞間通訊在細(xì)胞增殖和分化中起著重要作用。通過測量細(xì)胞縫隙連接分子的轉(zhuǎn)移,可以研究腫瘤啟動因子和生長因子對縫隙連接介導(dǎo)的胞間通訊的抑制作用及細(xì)胞內(nèi)鈣離子、pH值等對縫隙連接作用的影響,并監(jiān)測環(huán)境毒素和藥物在細(xì)胞增殖和分化中所起到的作用。細(xì)胞膜熒光探針受到極化光線激發(fā)后,發(fā)射光極性依賴于熒光分子的旋轉(zhuǎn),這種有序的運(yùn)動自由

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