微分干涉(dic)顯微鏡是明場顯微鏡的一種很好的選擇,它可以獲取未染色樣品的正確圖像,而這些樣品通常只能在明場中提供較弱的圖像。
具有偏振光的浮雕圖像在明場顯微鏡下,未染色的標本經(jīng)常顯得不起眼,細節(jié)也很少。但是實際上,它們與驚人的光相互作用,并且發(fā)生了人眼無法檢測到的相移。染色會導致振幅偏移和通過的光強度不同,但是大多數(shù)情況下,這僅適用于死物質(zhì)。dic顯微鏡技術是一種使用光程長度上的梯度和相移的技術,可以使相對象在光學顯微鏡下可見。以此方式,可以以足夠的對比度和分辨率觀察活細胞和生物。
dic顯微鏡產(chǎn)生的圖像像浮雕一樣,似乎有陰影。它們沒有光暈偽影,并且由于光學切片的可能性,相對較厚的標本也可以成像。
在dic顯微鏡中,僅偏振光用于照亮樣品。偏振光被散射成具有正交偏振平面的兩條不同的光線。這兩條光線非常接近。當它們在樣品中經(jīng)歷不同的折射或散射時,會發(fā)生不同的相移。如果這些光線團聚,它們將相互干擾。現(xiàn)在,光被橢圓偏振了。可以通過分析儀將該極化改變?yōu)榉绕啤R赃@種方式,可以使在高達1/200波長(或者使用相機甚至是1/1000波長)與整個波長之間的波長差的相移可見。
圖1a:變形蟲dic 圖1b:變形蟲,明場
光波的振蕩在非偏振光中,光波相對于其傳播軸沿所有方向振蕩。但是,在線性偏振光束中,所有光波的振蕩都具有相同的偏振角或偏振面。圓極化是極化的另一種可能形式。光波的振蕩跟隨圓周運動并具有穩(wěn)定的值,而方向以恒定的角速度變化。橢圓偏振光是線性和圓偏振光的混合物。
偏振光可以通過稱為偏振器的設備產(chǎn)生。如果用于確定振動平面的類似組件,則稱為分析器。有吸收性和分光偏振器。
圖2:偏振光。線偏振分量(紅色和灰色)的線偏振,圓偏振或橢圓偏振(黑)的組成
dic顯微鏡中的光路在dic顯微鏡中,偏振光是通過聚光鏡前面的偏振器產(chǎn)生的。該偏振光通過dic棱鏡被更好地稱為wollaston棱鏡,被分成具有垂直偏振面的兩條線性偏振光線。沃拉斯頓棱鏡可以在聚光鏡的平面中找到。標準的wollaston棱鏡由雙折射材料的兩個楔形物構(gòu)成,這些楔形物在其基底上膠合在一起,并且光軸與外表面平行且彼此垂直。
圖3:在wollaston棱鏡的部分,將45°偏振光分離為兩條分別為0°和90°的垂直偏振光線(左)。第二部分隨后根據(jù)極化改變其色散(右)。兩條光線通過聚光鏡后變?yōu)槠叫小?br>穿過該棱鏡的偏振光被切成兩個具有不同偏轉(zhuǎn)角的緊密間隔的波,即普通波和異常波。它們具有垂直的偏振面,并且對于這兩個波,介質(zhì)的行為就好像它具有單個有效折射率一樣。波前的剪切發(fā)生在干涉平面處,該干涉平面位于兩個棱鏡之間的折射率交界處。光波在空間上被剪切角分開。對于整個棱鏡上所有匹配的光波,它們的方向和它們之間的距離都相同。這兩個波之間的間隔必須小于顯微鏡的分辨率極限。
因此,樣品由成對的光波照亮,這些光波平行于橫向位移進入。如果這兩個光波與具有不同折射率或不同厚度的樣品部分相互作用,則它們從樣品中出來時的光程長度將有所不同。光路長度是折射率和光路兩點之間的厚度的乘積。它與渡越時間和光速有關。由于光程長度與光的傳播時間有關,因此在兩個匹配的光波之間會發(fā)生相移。
在光波穿過樣品之后,它們通過另一個沃拉斯頓棱鏡被帶回了一起。現(xiàn)在它們彼此干涉,形成橢圓偏振光。橢圓偏振光通過檢偏器。只有具有不同偏振面的光才能通過,因此對于不同的光波會產(chǎn)生不同的振幅。相移被轉(zhuǎn)換為幅度偏移,從而導致所得圖像中的光強度不同。
對于現(xiàn)代dic顯微鏡,沃拉斯頓棱鏡經(jīng)常被修改。一個例子是諾馬斯基棱鏡。它也由兩個雙折射楔組成,但是只有一個楔與沃拉斯頓棱鏡中的一個相同。另一個被修改,光軸傾斜放置。這導致干涉平面位于棱鏡外部。因此,棱鏡可以位于物鏡的孔徑平面之外,并且更易于使用。
在dic顯微鏡中,相鄰物點的相移差異有助于成像。可以看到折射率或厚度有梯度的樣品的細節(jié)。當光束相互垂直偏振時,通過旋轉(zhuǎn)顯微鏡載物臺可以產(chǎn)生不同的圖像。
重要的是切記不要在dic顯微鏡中使用塑料,因為許多聚合物會對光產(chǎn)生去極化作用,并會破壞對比度。
圖4:來自光源的非偏振光通過偏振濾光片,并以45°偏振。通過沃拉斯頓棱鏡后,光被分離為垂直偏振分量,一個偏振角為0°,另一個偏振角為90°。聚光鏡隨后將光引導通過樣品。樣品被具有不同偏振的兩條相干平行光線照亮。這基本上會產(chǎn)生兩張稍微偏移的樣品明場圖像,一張具有0°偏振光,另一張具有90°偏振光。由于光的偏振不同,這些圖像不會干涉。分離的光線經(jīng)歷不同的光程長度,因為它們穿過樣品的點的厚度或折射率可能有所不同。與另一束相比,這導致了一條射線的相移。穿過物鏡后,垂直偏振光會重新組合成在135°偏振的光。根據(jù)光程長度的差異,兩條光線的干涉現(xiàn)在會變亮或變暗,從而使幾乎看不見的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。后,沒有任何相移的直接透射光被135°方向的偏振濾光片(也稱為檢偏器)去除。
圖5a:小鼠纖維母細胞,dic 圖5b:紫露草,dic
圖5c:微量標準物dic
圖6a-c:用微分干涉對比(dic)和具有不同分裂角的wollaston棱鏡記錄的秀麗隱桿線蟲
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