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偏振光顯微鏡及其對(duì)骨骼組織構(gòu)成材料的啟示

來(lái)源：儀景通光學(xué)科技（上海）有限公司 2024年12月27日 11:34

偏振光顯微鏡是一種先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)，可增強(qiáng)雙折射樣品的對(duì)比度。它為了解各種有機(jī)和無(wú)機(jī)材料的結(jié)構(gòu)和組成提供了別樣的視角。

常用的偏振光顯微鏡有兩種：線性偏振和圓形偏振。顧名思義，線性偏振光顯微鏡使用線性偏振光照亮樣品。相比之下，圓形偏振光顯微鏡采用圓形偏振光，因此對(duì)樣品內(nèi)結(jié)構(gòu)的手性（左右方向）比較敏感。這些技術(shù)用于生物學(xué)、材料科學(xué)和地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域，用于檢查各種材料的微觀結(jié)構(gòu)和特性。

本篇文章詳細(xì)探討了這些偏振光技術(shù)，重點(diǎn)介紹了圓形偏振光顯微鏡如何能更好地可視化骨骼組織中的雙折射材料。

骨骼組織的雙折射材料

雙折射是材料的一種特性，當(dāng)單束入射光線穿過(guò)材料時(shí)，會(huì)分裂成兩條不同的光線。皮膚、角膜、肌腱、韌帶、肌肉組織、軟骨和骨骼，由于它們有組織的各向異性結(jié)構(gòu)（光學(xué)特性在所有方向上都不一致），都是會(huì)產(chǎn)生雙折射的組織和器官。這種雙折射會(huì)影響骨骼組織（如骨骼和軟骨）中的材料與偏振光相互作用的方式。

哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類的骨骼是硬質(zhì)材料，主要由膠原蛋白和磷酸鈣組成。骨骼中存在的四種細(xì)胞類型是：

成骨細(xì)胞
骨細(xì)胞
破骨細(xì)胞
造骨祖細(xì)胞

軟骨與骨骼共同作用，形成所謂的骨骼組織。這種特殊的結(jié)締組織既柔韌又堅(jiān)硬。三種不同類型的軟骨是：

透明軟骨
纖維軟骨
彈性軟骨

此外，維生素C也是一種雙折射材料，可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞中骨基質(zhì)基因表達(dá)，與減緩固關(guān)節(jié)炎相關(guān)，對(duì)骨骼健康至關(guān)重要。

了解線性偏振光顯微鏡和圓形偏振光顯微鏡

要使用偏振光顯微鏡捕捉骨骼、軟骨、維生素C和其他雙折射材料的高質(zhì)量圖像，首先必須了解線性偏振光和圓形偏振光的照明方法。

光源會(huì)產(chǎn)生非偏振光，這種光會(huì)在所有360度方向上振動(dòng)。當(dāng)非偏振光穿過(guò)偏光鏡時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)換成線性偏振光。線性偏振光穿過(guò)樣品。如果樣品是各向同性的（所有方向上的光學(xué)特性一致），則不會(huì)影響偏振光，光將保持相同的偏振狀態(tài)。然而，如果樣品是各向異性的，那么當(dāng)光通過(guò)時(shí)，就會(huì)改變光線的偏振狀態(tài)。這種偏振變化可使光穿過(guò)一個(gè)與偏光鏡垂直的檢偏器。

線性偏振的一個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)形成出現(xiàn)在視場(chǎng)中的等旋線，即馬耳他十字圖案（帶有V形臂的十字）的黑帶。當(dāng)成像樣品具有徑向?qū)ΨQ性時(shí)，會(huì)導(dǎo)致偏振光圍繞徑向中心分裂而產(chǎn)生無(wú)法穿過(guò)檢偏鏡的光線，就會(huì)發(fā)生這種情況。馬耳他十字會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，從而影響圖像的量化或分析用途。

而圓形偏振則沒(méi)有這個(gè)缺點(diǎn)。圓形偏振還可以使用偏光鏡將普通光轉(zhuǎn)換為在單一平面上振動(dòng)的光（線性偏振光）。然而，在圓形偏振中，雙折射材料（如四分之一波板）要與偏振光路徑上的偏光鏡成45°角放置。光會(huì)發(fā)生相移，即光波穿過(guò)材料所用時(shí)間的差異。這就產(chǎn)生了具有圓形旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的光。當(dāng)圓形旋轉(zhuǎn)光穿過(guò)樣品時(shí)，會(huì)在所有360度的旋轉(zhuǎn)位置上發(fā)生折射。如果在折射光的路徑上放置一塊與第一塊板成90°的第二塊四分之一波板，這種效應(yīng)就會(huì)抵消。這將再次產(chǎn)生線性偏振光，然后可使其穿過(guò)檢偏鏡的透射軸。需要說(shuō)明的是，兩塊四分之一波板都相對(duì)于偏光鏡旋轉(zhuǎn)了45°角，但旋轉(zhuǎn)的方向相反。

圖1. 使用Evident公司的偏振光顯微鏡、SLIDEVIEW VS200研究級(jí)玻片掃描儀和MPLFLN40X（0.75 NA）物鏡對(duì)維生素C晶體進(jìn)行成像：a）使用線性偏振光顯微鏡；b）使用圓形偏振光顯微鏡。（a）使用線性偏振，我們可以看到等旋線特征（黑帶）。（b）為同一樣品使用圓形偏振，我們看不到任何偽影。

使用偏振光顯微鏡對(duì)骨骼、

軟骨和維生素C進(jìn)行成像

維生素C，又稱抗壞血酸，是一種手性分子。當(dāng)偏振光穿過(guò)維生素C晶體時(shí)，分子的手性會(huì)導(dǎo)致光的偏振平面出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。光的干涉會(huì)產(chǎn)生一系列顏色，形成美麗的圖像。

圖2. 偏振光顯微鏡下的維生素C圖像：a）使用線性偏振，我們可以看到等旋線特征（馬耳他十字）；b）使用圓形偏振，不會(huì)產(chǎn)生馬耳他十字。這里顯示的棕色石頭狀結(jié)構(gòu)是非常厚的晶體。使用VS200研究級(jí)玻片掃描儀和MPLAPON50X（0.95 NA）物鏡拍攝的圖像。

圖3. 結(jié)締組織和骨骼的圖像，在偏振光下可觀察到不同方向的膠原纖維。a）使用線性偏振光可視化的結(jié)締組織。b）使用圓形偏振光可視化的結(jié)締組織。c）使用線性偏振光可視化的橫向骨切片。d）使用圓形偏振光可視化的橫向骨切片。橫向排列的膠原纖維呈現(xiàn)亮色，而縱向排列的膠原纖維呈現(xiàn)暗色。介于橫向和縱向之間方向排列的纖維顯示出深淺不一的灰色。使用VS200研究級(jí)玻片掃描儀和MPLAPON50X（0.95 NA）物鏡拍攝的圖像。

適于這類應(yīng)用的產(chǎn)品

SLIDEVIEW VS200研究級(jí)全玻片掃描系統(tǒng)可以讓您能夠采集載玻片的高分辨率圖像并進(jìn)行定量分析，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)載玻片信息的充分利用。

一套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)五種觀察方法

VS200全玻片掃描系統(tǒng)可用于明場(chǎng)、熒光、暗場(chǎng)、相襯和偏光（線性偏光/圓偏光）觀察。這一靈活性可以讓您使用各種組合觀察方法觀察僅在特定條件下可見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。

可支持標(biāo)準(zhǔn)載玻片以及大尺寸載玻片

使用方便的載玻片托盤(pán)可支持26×76毫米（1×3英寸）、 52×76毫米（2×3英寸）、76×102毫米（3×4英寸）和 102×127毫米（4×5英寸）載玻片。該系統(tǒng)可讓您同時(shí)管理不同尺寸的載玻片。

高通量

加載器最多可容納35個(gè)載玻片托盤(pán)，210個(gè)26×76毫米（1×3英寸）載玻片。加載器上的機(jī)械手移動(dòng)的是載玻片托盤(pán)而非單個(gè)載玻片，從而確保您的載玻片保持安全和完整。

保存和調(diào)用采集設(shè)置，以此加快工作速度

對(duì)于重復(fù)的工作流程，您可以保存、調(diào)用和共享預(yù)定義采集設(shè)置項(xiàng)目，以此加快工作速度并可協(xié)助實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作。這些項(xiàng)目還可在用戶之間共享，從而實(shí)現(xiàn)更大的靈活性。

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