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激光掃描共焦顯微鏡（LSCM）是八十年代問世的一種新型分析儀器，由于其高分辨率，高靈敏度，高放大率等特點，在細胞水平上能作多種功能測量和分析，成為分析細胞學的重要研究工具，激光掃描共焦顯微鏡是在顯微鏡基礎上配置激光光源，掃描裝置，共軛聚焦裝置和檢測系統而形成的新型顯微鏡。它對活細胞分層掃描后得到光學切片，可進行細胞三維重建。測量分析細胞形態學參數和熒光強度。利用熒光探針標記LSCM可以對細胞內微細結構和離子的動態變化進行定性、定量、定時和定位分析。LSCM可以進行顯微手術，細胞分選，細胞胞間通訊和膜的流動性等測量。它的應用前景非常廣泛，將為生物醫學和生命科學領域的科研工作提供新的手段。
激光掃描共焦顯微鏡（Laser Scanning Confocal Microscope，LSCM），有時也被稱為激光掃描細胞儀（Laser Scanning Cytometer，LSC）是八十年代迅速發展起來的用于分析細胞學的新型儀器。LSCM與普通光學顯微鏡相比優點明顯，分辨率、靈敏度、放大率和熒光檢測信噪比大大提高。對活細胞可以做分層掃描后，進行三維重建和測量分析，對細胞內微細結構的動態變化可進行定性、定量、定時和定位分析檢測，可通過熒光標記檢測細胞內離子濃度的變化比例及動態變化。因此LSCM是細胞神經生物學和生理學，藥物學及遺傳學等生物醫學領域的新一代研究工具。
1．LSCM的發展簡況 Simple development of laser scanning confocal microscope
激光掃描共焦顯微鏡是在顯微鏡基礎上配置激光光源，掃描裝置，共軛聚焦裝置和檢測系統而形成的新型顯微鏡。1971年美國Davidovits和Egger發明了以激光為光源的透鏡掃描系統，1978年Sheppard等推出了載物臺掃描裝置。1979年有了樣品掃描裝置，1980年Koestert等介紹了鏡掃描系統，1983到1986年，Aslund和Carlsson等介紹了雙鏡掃描系統和共軛聚焦成象系統。1984年*臺LSCM實用產品問世，十多年來LSCM的應用有了飛速發展。我國在1990年引進五臺LSCM，到了1997年已有了三十多臺設備。產品主要來自四家公司，美國的Bio－Rad和Meridian公司，德國的Zeiss和Leica公司。
2．LSCM的基本原理 Principle of laser scanning confocal microscope
普通光學顯微鏡使用的鹵素燈光源為混合光，光譜范圍寬，成象時樣品上每個照光點均會受到色差影響以及由照射光引起的散射和衍射的干擾，影響成象質量，LSCM結構上采用雙針孔（Pinhole）裝置，形成物象共軛的*設計，激光經物鏡焦平面上針孔形成點光源對樣品掃描，于測量透鏡焦平面的探測針孔處經空間濾波后，有效地抑制同焦平面上非測量光點形成的雜散熒光和樣品不同焦平面發射來的干擾熒光。這是因為光學系統物象共軛，只有物鏡焦平面上的點經針孔空間濾波才能形成光點圖象，掃描后可得到信噪比*的光學橫斷面，分辨率比普通光學顯微鏡提高1.4倍。LSCM的光源為激光，單色性好，基本消色差，成象聚焦后焦深小，縱向分辨率高，可無損傷地對樣品作不同深度的層掃描和熒光強度測量，不同焦平面的光學切片經三維重建后能得到樣品的三維立體結構，這種功能被形象的稱為"顯微CT"。
3．LSCM的結構特點 Structure of laser scanning confocal microscope
LSCM由顯微鏡光學系統，激光光源，掃描裝置和檢測系統構成，整套儀器由計算機控制，各部件之間的操作切換都可在計算機操作平臺界面中方便靈活地進行。常用計算機為奔騰系列，內存是64MB，以便于圖像的存取和運算，軟件界面多數為Windows或Windows NT，后者圖象采集效率更高，軟件也可在互聯網上方便地更新。
3.1 顯微鏡光學系統
顯微鏡是LSCM的主要組件，它關系到系統的成象質量。通常有倒置和正置兩種形式，前者在活細胞檢測等生物醫學應用中使用更廣泛。顯微鏡光路以無限遠光學系統為佳，可方便地在其中插人光學選件而不影響成象質量和測量精度。物鏡應選取大數值孔徑平場復消色 差物鏡為好，有利于熒光的采集和成象的清晰。物鏡組的轉換，濾色片組的選取，載物臺的移動調節，焦平面的記憶鎖定都應由計算機自動控制。多功能顯微鏡以德國的蔡司Zeiss和萊卡Leica的產品為好，也常用日本的尼康Nikon或奧林巴斯Olympus產品。
3.2 掃描裝置LSCM使用的掃描裝置有兩類，臺掃描系統和鏡掃描系統。現在也有兩者結合使用的儀器。臺掃描通過步進馬達驅動載物臺，位移精度可達0.lμm，能夠有效地消除成象點橫向象差，使樣品信號強度不受探測位置的影響，可準確定位定量地掃描檢測視野中每一物點的光強度，缺點是載物臺機械移動、圖象采集速度較慢。鏡掃描有雙鏡掃描和單鏡掃描兩種，通轉鏡完成對樣品的掃描。由于轉鏡只需偏轉很小角度就能涉及很大的掃描范圍，圖象采集速度大大提高，512×512畫面每秒可達4幀以上，有利于那些壽命短的離子作熒光測定，但因光路略有偏轉會對通光效率和象差有所影響。掃描系統的工作程序由計算機自動控制。
3.3 激光光源
LSCM使用的激光光源有單激光和多激光系統。氪氬離子激光器是可見光范圍內使用的多光譜激光，發射波長488nm、568nm和647nm分別為藍光、綠光和紅光，大功率氬離子激光器是紫外和可見光混合激光器，發射波長為351－364nm、488nm和514nm分別為紫外光、藍光和綠光，單個激光優點是安裝方便，光路簡單，但價格較貴并存在不同激光之間的光譜競爭和色差校正問題。多激光器系統在可見光范圍使用氬離子激光器，發射波長為 488nm和514nm的藍綠光，氦氖激光器發射波長為633nm的紅光，紫外光選用氬離子激光器，波長為351－364nm。其優點是各譜線激光單獨發射，不存在譜線競爭的干擾，調節方便，但光路復雜，光學系統共軸準直調試要求高。1996年新型雙光子激光器問世，利用雙光子倍頻效應，使用可見光激光來代替紫外激光作激發光源達到檢測紫外探針的目的。雙光子激光能使活體細胞熒光損傷減少，成象質量改善，增強對樣品深層的觀察能力。通過計算機控制的聲光調制器可進行各波長光譜之間高速切換以及迅速改變激光光斑、強度和照明時間。 3.4 檢測系統
LSCM為多通道熒光采集系統，光路上要求至少有三個熒光通道和一個透射光通道，如有第四熒光通道更好，可對物體進行多譜線激光激發，樣品發射熒光的探測器為感光靈敏度高的光電倍增管PMT，配有高速12位A/D轉換器，可以做光子計數。每個PMT前設置單獨的針孔，由計算機軟件調節針孔大小，光路中設有能自動切換的濾色片組，滿足不同測量的需要。通過在線視頻打印機或數字照相機可以實時拷貝圖象和制作幻燈。
4．LSCM的生物醫學應用 Application of laser scanning confocal microscope in biomedicine
LSCM的高靈敏度、高分辨率、高放大倍數，提供了光學顯微鏡無法顯示的結構，使細胞生物學研究上了一個臺階。目前我們可以在亞細胞水平進行動態實驗，檢測細胞生物質和離子通道的變化，觀察細胞在生理、病理和藥理情況下對外界因素作用所產生的快速反應，進行定性、定量、定時和定位的分析測量。zui常用的功能是細胞三維重建，細胞熒光檢測和細胞顯微操作等。
4.1 細胞的三維重建（3-D Reconstruction）
普通熒光顯微鏡分辨率低，顯示的圖象結構為多層面的圖象迭加，結構不夠清晰。LSCM能以0.1μm的步距沿軸向對細胞進行分層掃描，得到一組光學切片，經A／D轉換后作為二維數組貯存。這些數組通過計算機進行不同的三維重建算法，可作單色圖象處理，雙色圖象處理，組合成細胞真實的三維結構。旋轉不同角度可觀察各側面的表面形態，也可不同的斷面觀察細胞內部結構，測量細胞的長寬高、體積和斷層面積等形態學參數。通過模擬熒光處理算法，可以產生在不同照明角度形成的陰影效果，突出立體感。通過角度旋轉和細胞位置變化可產生三維動畫效果。LSCM的三維重建廣泛用于各類細胞骨架和形態學分析，染色體分析，細胞程序化死亡的觀察，細胞內細胞質和細胞器的結構變化的分析和探測等方面。
4.2 細胞定量熒光測定
顯微熒光光度計由于顯微鏡和激發光源的限制成象模糊，只能測定細胞內的熒光總量，有一定的誤差。LSCM以激光為光源，對細胞分層掃描，單獨測定，經積分后能得到細胞熒光的準確定量，重復性。它適于活細胞的定量分析，可測定細胞內溶酶體、線粒體、DNA含量、RNA含量、酶和結構性蛋白質等物質含量和分布，常用于原位分子雜交，腫瘤細胞識別，單個活細胞水平的DNA損傷及修復的定量分析。它適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用廣泛，如作各種腫瘤組織切片抗原表達的定量分析，監測腫瘤相關抗原表達的定位定量信息，監測藥物對肌體免疫功能的作用，監測自身免疫性疾病的多種抗原及藥物對肌體免疫功能的作用，監測細胞結合和殺傷的形態特征并作定量分析等。細胞定量熒光測定可選用單熒光。雙熒光和三熒光方式，能自動測定細胞面積，平均熒光強度，積分熒光強度及形狀因子等多種參數。 4.3 細胞內鈣離子PH值和其它離子的動態分析
通過Indo－1、Fluo－2、Fluo－3、Calcium green、SNARF等多種熒光探針，可對細胞內鈣離子、鈉離子及PH值等作熒光標記并對它們進行比率值和濃度梯度變化測定。由于細胞內鈣離子為傳遞信息的第二信使，對細胞生長分化起著重要作用，通過單標記或雙標記對細胞內鈣離子和其它離子的熒光強度和分布測定，測定樣品達到毫秒級的快速變化。借助光學切片功能可以測量樣品深層的熒光分布以及細胞光學切片的生物化學特性的變化。通過不同時間段的檢測可測定細胞內離子的擴散速率，了解它對腫瘤啟動因子、生長因子等刺激的反應。細胞內離子測量廣泛用于腫瘤研究、組織胚胎學、細胞生物學和藥理學等領域。
4.4 細胞胞間通訊（Cell Communication）和膜的流動性
動物和植物細胞中縫隙連接介導的胞間通訊在細胞增殖和分化中起著重要作用。通過測量細胞縫隙連接分子的轉移，可以研究腫瘤啟動因子和生長因子對縫隙連接介導的胞間通訊的抑制作用及細胞內鈣離子、pH值等對縫隙連接作用的影響，并監測環境毒素和藥物在細胞增殖和分化中所起到的作用。選定經熒光染色后的細胞，借助于光漂白作用或光損傷作用使細胞部分或整體不發熒光，實時觀察檢測熒光的恢復過程，可直接反應細胞胞間通訊結果。
細胞膜的流動性在進行膜的磷脂酸組成分析，藥物作用點和藥物作用效應，測定溫度反應和物種比較方面有重要作用。細胞膜熒光探針受到極化光線激發后，發射光極性依賴于熒光分子的旋轉，這種有序的運動自由度取決于熒光分子周圍的膜流動性，所以極性測量能間接反映細胞膜的流動性。
4.5 熒光光漂白恢復（Fluorescence Redistribution After Photo bleaching，FRAP）
FRAP是用來測定活細胞的動力學參數，借助于高強度脈沖激光來照射細胞某一區域，造成該區域熒光分子的光粹滅，該區域周圍的非粹滅熒光分子會以一定的速率向受照射區域擴散，這個擴散速率可通過低強度激光掃描探測,因而可得到活細胞的動力學參數。LSCM可以控制光粹滅作用，實時監測分子擴散率和恢復速率，反映細胞結構和活動機制。廣泛用于研究細胞骨架構成，核膜結構跨膜大分子遷移率，細胞間通訊等領域。
4.6 籠鎖-解籠鎖測定（Caged-Uncaged）
這是一種光活化測定功能。生物活性產物或其它化合物處于籠鎖狀態時，其功能封閉，一旦被特異波長的瞬間光照射后，產生光活化解籠鎖，恢復原有的活性和功能，在細胞增殖分化等生物代謝過程中發揮功能。LSCM可以控制籠鎖探針的瞬間光分，選取特定的照射時間和波長，從而達到人為控制多種活性產物和其它化合物在生物代謝中發揮功能的時間和空間作用。它們包括第二信使、核甘酸、神經介質、鈣離子。
4.7 粘附細胞分選（Adhered Cell Sort）和顯微手術（Micro-operation）
采用臺掃描方式的LSCM，由于激光束固定在顯微鏡的光軸上，可對載物臺上的樣品作地定位掃描，從而對所要選擇的細胞進行分選，Meridian公司的LSCM能夠理想地進行這項工作，在不改變細胞培養周圍環境，細胞鋪展程度和生長狀態情況下進行細胞分選。分選方法有兩種，一種是光刀切割法（Cookie－Cutter），將細胞貼壁培養在特制培養皿上，利用高能激光在所選細胞周圍作八角形切割，只在其間保留所選細胞，選擇條件取決于特定熒光和細胞形態學參數，這種分選方法特別適用于選擇數量較少的細胞，如突變細胞、轉移細胞和雜交瘤細胞等。第二種方法是激光消除法（Laser Ablation），用高能量激光自動殺滅不需要的細胞，留下完整的活細胞亞群繼續培養，這種方式取決于細胞熒光特性，特別適于對數量較多的細胞選擇。
通過這兩種方式可以總體掃描細胞群，進行細胞物理和生化特性的選擇。能對百萬分之一機率發生突變的細胞作篩選，能不改變細胞類型、形態和活性而克隆細胞，能分離細胞亞群并進行定量熒光檢測，能存儲細胞位置對特定細胞重復測定。這種細胞分選方式效率和度都很高。
借助LSCM我們可以把激光作為光子刀應用，來完成細胞膜瞬間打孔，線粒體、溶酶體和染色體的切割，以及神經元突起切割等顯微細胞外科手術。
4.8 激光光陷阱技術（Optical trap）
激光光陷阱技術又稱為光攝技術，就是利用光學梯度力形成的光陷阱，產生具有傳統機械鑷子挾持和操縱微小物體的功能。當微米級范圍的顆粒落人一個非均勻光場中，它將趨于特定的平衡位置，如果沒有外界強有力的干擾，物體不會偏離光學中心。由于外界作用和粒子自身運動等原因產生的中心偏離也會很快恢復原位，光造成一個勢能較低的陷阱區域，當物體的動能不能克服周圍勢壘時，它將留在陷阱內。這種固定是光子動量的結果，與照明強度和波長直接有關。較大物體比較小的結構需要更多的陷阱能量。光攝可以在保持處在生產環境中的細胞仍可與外界溝通的條件下，對目標細胞進行非接觸式的捕獲與固定，井進行地操作，克服了以往單細胞操作中細胞難以固定和易產生機械損傷的弱點。這項新技術廣泛應用于染色體移動，細胞器移動，細胞骨架彈性測量，細胞周期和調控研究及分子動力原研究等方面，尤其是在探測植物細胞骨架時，光陷阱是目前能探測其彈性和流變性的*技術。
綜上所述，激光掃描共焦顯微鏡由于其高分辨率、高靈敏度、高放大率等特點，在細胞水平上可作多種功能測量和分析，成為分析細胞學的一項重要研究手段。目前LSCM價格一般報價為150萬至300萬左右，用戶基本集中在中科院系統和高等院校，隨著LSCM設備和應用技術的不斷完善，它在生物醫學和生命科學領域里將起到更重要的作用，應用前景非常廣泛激光掃描共焦顯微鏡技術的應用