三维激光扫描测量仪

机床是制造业的母机，数控机床是机床产品的先进技术体现，特别是高档数控技术是装备制造业现代化的核心技术，是国家工业发展水平、综合国力的直接体现，此次展会汇集了当今世界机床发展和先进制造技术的最新成果，全面展示了我国数控机床产业近几年来高速发展的最新产品和技术。作为数控技术的重要环节——测量设备，在这次展会上展出了一批新技术、新产品，体现了当今测试计量技术发展动向和特点。 测量精度高　　随着现代科技向高精度方向发展，机床作为装备工业的基础发展更应超前，而测量设备更由传统的微米、亚微米精度向着纳米量级精度方向发展。随着超精密加工技术的需要，数控精度愈来愈高，对测量设备的精度要求更高，这次展会展示了一批纳米量级的测量设备，除各种激光干涉仪外，光栅测量技术也达到纳米量级。如海德汉的LIP382超高精度直线光栅尺，其测量步距可以达到1nm。基于测量技术的发展，纳米量级的机床成为现实，如上海机床厂展出的纳米级精密微型数控磨床成为展会的一个亮点。测量速度高　　现代制造业进行的是大规模、大批量、专业化生产，需要多参数、实时在线测量，故要求测试仪器的测量速度高、设备轻便、操作界面直观。如激光干涉测量技术作为精密测量的一种重要方法，各种激光干涉测量系统向着轻巧、便携、高测速的方向发展。雷尼绍XL-80干涉仪款型小巧，可提供4m/s最大的测量速度和50kHz记录速率，可实现1nm的分辨率；激光跟踪仪可实现快速数据采集与处理，有利于测量精度的提高。各种影像测量设备利用触摸屏可以方便直观地实现特征尺寸的测量。三维测量多样化　　三维测量技术向着高精度、轻型化、现场化的方向发展。传统基于直角坐标的三坐标测量机经过50年的发展，其技术愈加成熟，测量更加快捷，功能更加强大。这次参展的国内外数十家坐标测量机生产厂商，各具特色，特别是国内很多厂家推出实用廉价的各种三坐标测量机，说明三坐标测量技术在我国已经走向全面实用化、特色化发展的道路。除直角坐标测量系统外，极坐标测量仪器体现出自身独特的优势，如FARO、ROMER等厂家生产的激光跟踪仪对大尺寸结构的装备现场具有方便灵活的特点。对于小尺寸测量，FARO、ROMER等生产的关节臂测量机因其低廉的成本、较高的精度、现场方便的操作等优势，在汽车等行业展现出广阔的应用前景。测量智能化　　测量设备借助于计算机技术向着智能化、虚拟化的方向进一步发展。测量仪器的虚拟化、接口的标准化以及测量软件的模块化，加速了测量技术的发展，使测量仪器的应用更加方便、直观、智能。根据测量需求以及测量对象的不同，可基于同一软件平台使用不同的仪器协同工作，采用不同的测量软件模块，实现了广普测量仪器的网络化、协同化，提高了测量的自动化水平。在这次展会上，国内一些独立的测量软件公司进行了参展，对于测量设备的智能化、网络化具有推动作用。　　这次展会展示了当今工业测量设备的新技术、新产品。但也同时看到，我国在测量仪器制造特别是高精度仪器制造方面缺乏自主创新的成果，一些高精度测量仪器在国内还没有相关单位能够生产。通过这次展会，对推动我国几何量测量设备的发展具有实际意义。

一、在细胞及分子生物学中的应用1. 细胞、组织的三维观察和定量测量 共聚焦显微镜的分辨率超过普通光学显微镜，染色过程简便，可以在活细胞上进行无创伤性的染色，最大程度地维持细胞的正常形态。多种自发性的荧光染料，已被广泛地用于诸如RNA、DNA细胞核、线粒体、内质网、肌动蛋白、细胞膜等结构的标记。运用免疫荧光技术，将不同波长的两三种荧光物质标记在内部不同结构的相应抗体上，以这几种荧光物质特定的光谱特性选择激发光和滤光片，则可以观察到细胞内部各结构间的毗邻关系。特别是在荧光着丝点易被遮盖（如荧光原位杂交实验）的情况下，这种三维图像的多角度观察提供了极大的优越性。细胞有丝分裂中细胞核内染色体数目（双倍体、多倍体）、形态和位置的变化，一直是细胞生物学肿瘤研究中的热点。着丝点是细胞核内的重要结构，被认为在有丝分裂中起重要的作用，应用共聚焦显微镜的定量测量技术，可以较精确地测定着丝点在不同分裂期的位置。共聚焦显微镜生成厚度小于0.2微米的依次相连的光学切片，即使较厚的组织的三维数据也可被计算机获取，运用适当的图像分析软件，可以测量并确定所观察结构的表面特征，体积等参数，为相互结合定量测量提供了新手段。2. 活细胞生理信号的动态监测：活细胞的功能监测在细胞生物学、神经生理学、药理学等领域都有重要意义。许多荧光染料可以聚集在细胞的特定结构，而对细胞的活性基本上不产生影响。可以利用这一特性来反映细胞受到刺激后形态或功能的改变。如亲脂性染料DiOC6（3）主要聚集在内质网，且对细胞的毒副作用极小。肌细胞中的肌浆网与ER有相同的属性，是胞内钙库，应用共聚焦显微镜，就可以动态观察肌细胞兴奋时SR的变化。许多参与神经元兴奋传导的离子如K+、Na+、Ca2+及H+、Cl-、Mg2+ 等，都有其自发性的荧光染料。Ca2+ 在细胞的兴奋、分化、死亡等过程中都起重要作用，是许多生理反应的胞内第二信使，是目前研究得最为充分的离子; 通过激光扫描共聚焦显微镜对胞内、核内钙转移的研究、对心肌细胞的钙变化研究、免疫细胞钙信号的研究、对Ca2+信号在凋亡细胞中作用的研究都取得了可喜的结果，而更多的研究则是将激光扫描共聚焦显微镜应用于神经生物学中对神经元Ca2+动态测量的研究。目前激光扫描共聚焦显微镜以其独特的优势成为钙研究中的重要手段之一。3. 粘附细胞的分选(adherent cell sorting) 对特异细胞的分选和克隆，是研究单个细胞或细胞系生物特性的先决条件。 将细胞贴壁培养在特制培养皿上，培养皿底部有一层特殊的膜，用高能量激光在欲选细胞四周切割成八角形几何形状，掀去培养皿底部的膜，非选择细胞则被去除。目前对粘附细胞分选方法多用于对杂交瘤和突变细胞的分选，也有用于对经转化的平滑肌细胞，卵巢癌细胞及人畸胎瘤干细胞等的分选和克隆，还可用于基因调控、基因治疗等研究。4. 细胞激光显微外科和光陷阱功能： 激光扫描共聚焦显微镜可将激光当作一把“光刀子”使用，完成诸如细胞膜瞬间穿孔，染色体切割，神经元突起切除等一系列细胞外科手术。光镊是利用激光的力学效应，将一个微米级大小的细胞或其它结构钳制于激光束的焦平面上，也称为光陷阱。光镊可以用来进行细胞融合（如卵细胞受精）、机械刺激或细胞骨架弹性测量等，特别是在测量植物细胞的细胞骨架时很有意义。5. 光漂白后的荧光恢复（FRAP）: 细胞在相互接触后彼此间即有低阻抗的通道形成，以进行细胞间通讯；被经合成肽测试法证明只允许低于1.5KD分子通过的通道被称作缝隙连接。缝隙连接是存在于相邻细胞间的一类蛋白通道，普遍认为缝隙连接通过介导细胞间的信息传递，在诸如增殖、分化、代谢等过程中发挥极其重要作用。FRAP技术借助脉冲式激光照射细胞的某一区域，从而该区域荧光分子的光淬灭，该区域周围的未淬灭的荧光分子将以一定速率向受照区域扩散，而此扩散速率可通过低强度激光扫描探测。在研究细胞骨架构成、跨膜大分子迁移率、细胞膜流动性、胞间通讯等领域中有较大的意义。6. 在细胞凋亡研究中的应用细胞凋亡是由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程，细胞凋亡作为生理性、主动性过程，能够确保正常发育、生长、维持内环境稳定，发挥积极的防御功能。用激光扫描共聚焦显微镜观察凋亡细胞，可见凋亡细胞体积变小，细胞质浓缩，细胞核变小，出现染色质沿核膜内侧排列的核边聚集现象。细胞凋亡的晚期，细胞核裂解为碎块，产生凋亡小体。细胞凋亡（Apoposis）是生物体内广泛存在的，由细胞特定基因控制，以细胞DNA 降解为特征的细胞自发过程，与机体中多种生理及病理过程密切相关。因而，对Apoposis 的研究现已成为研究细胞生物学研究的热点之一。而激光扫描共聚集显微镜结合众多荧光探针的应用，成为细胞Apoposis超微结构及分子水平变化的有力手段。二、在神经科学中的应用1. 定量荧光测定：对活细胞进行定量测定，具有很好的重复性，分析神经细胞和胶质细胞的某些物理及生物化学特性；监测抗原表达，细胞结合和杀伤等特征。在多发性硬化病人大脑活检标本上观察病变组织的微血管内皮细胞特异性地表达。2. 细胞内离子的测定：使用多种荧光探针，对神经细胞的Ca2+、PH及其它各种细胞内离子进行定量和动态分析。3. 神经细胞的形态学观察：激光扫描共聚焦显微镜使用模拟荧光处理，可将系列光学切片的数据合成三维图像，并可从任意角度观察。如Joshi等观察了细胞突触的骨架的三维图像。三维重建图像可使神经细胞及细胞器的形态学结构更加生动逼真。三、在耳鼻喉科学中的应用1. 在内耳毛细胞亚细胞结构研究上的应用：1993年Ikeda等应用激光扫描共聚焦显微镜研究内耳毛细胞的亚细胞结构，用Rhodamine 123染色，见线粒体分布于表皮板下和核下，加入1mmol/L三硝基酚使线粒体膜电位减小，荧光强度明显减弱。用DIOC6（3）染色，观察到内质网分布于表皮板下直至细胞核区域，呈网状、核下及侧膜下也有分布，胞质中则极少，探讨了蛋白激酶（PKC）在三磷酸肌醇/钙信号系统中的作用。2. 激光扫描共聚焦显微镜的荧光测钙技术在内耳毛细胞研究中的应用钙离子在细胞的生命活动中起着重要作用，它参与调节细胞功能，如肌肉收缩，细胞运动，递质合成与释放，信息传递，细胞换能等。激光扫描共聚焦显微镜的荧光测钙技术可探测到细胞内钙浓度的细微变化，当内耳毛细胞受到各种生理及病理因子刺激时，可用荧光测钙技术观察细胞内钙离子浓度的变化。为研究毛细胞的机能提供了新的手段。3. 激光扫描共聚焦显微镜在内耳毛细胞离子通道研究上的应用Issa等用膜片钳的全细胞记录法将Fluo-3已导入毛细胞，用激光扫描共聚焦显微镜观察，当毛细胞去极化时其底部侧膜上平均有18个亮点（钙内流所至），然后对同一毛细胞进行连续超薄切片电镜观察，证明这些亮点即为突触前活性区。4. 激光扫描共聚焦显微镜在嗅觉研究中的应用：Schild等用激光扫描共聚焦显微镜和钙荧光探针研究嗅觉感受器神经元的钙通道分布，以Fluo-3和Fura-red 染色后行双发射比例测量，测出其胞内游离钙呈不均匀分布，观察显示嗅觉感受器神经元的钙通道位于胞体部，与同一部位的钾通道一起构成适应性调节机制，而对树突尖端纤毛的钙依赖性换能过程无干扰。四、在肿瘤研究中的应用激光扫描共聚焦显微镜的出现，在一定程度上推动了肿瘤的研究进展。它为肿瘤细胞生物学、分子生物学、细胞通讯、细胞形态学研究、细胞的抗药物代谢、细胞膜及其受体等领域的研究，提供了有效手段。1. 定量免疫荧光测定：激光扫描共聚焦显微镜采用免疫荧光对肿瘤细胞的抗原表达、细胞结构特征、抗肿瘤药物的作用及机理等方面进行定量的观察和监测，为较理想的形态学观察方法。先采用荧光标记特异性抗原或抗体，使其与特异性抗体或抗原结合，再采用激光扫描共聚焦显微镜对其进行定性、定量和形态学分析。近年来报道较多的是P53肿瘤相关抗原等的定位、定性和定量分析。采用荧光标记某些蛋白分子，然后测定其平均荧光强度和积分荧光强度，从而对某些细胞结构蛋白分子进行定量分析。2. 细胞内离子分析激光扫描共聚焦显微镜可以准确地测定细胞内Ca2+ 、 K+ 、 Na+ 、 Mg2+ 、 pH等

激光扫描共聚焦显微镜是近十年发展起来的医学图像分析仪器，与传统的光学显微镜相比，大大地提高了分辨率，能得到真正具有三维清晰度的原色图像。并可探测某些低对比度或弱荧光样品，通过目镜直接观察各种生物样品的弱自发荧光。能动态测量Ca2+ 、pH值，Na+、Mg2+等影响细胞代谢的各种生理指标，对细胞动力学研究有着重要的意义。同时激光扫描共聚显微镜可以处理活的标本，不会对标本造成物理化学特性的破坏，更接近细胞生活状态参数测定。可见激光扫描共聚焦显微镜是普遍显微镜上的质的飞跃，是电子显微镜的一个补充，现已广泛用于荧光定量测量，共焦图像分析，三维图像重建、活细胞动力学参数分析和胞间通讯研究等方面，在整个细胞生物学研究领域有着广阔的应用前景。1. 定量荧光测量ACAS可进行重复性极佳的低光探测及活细胞荧光定量分析。利用这一功能既可对单个细胞或细胞群的溶酶体，线粒体、DNA、RNA和受体分子含量、成份及分布进行定性及定量测定，还可测定诸如膜电位和配体结合等生化反应程度。此外，还适用于高灵敏度快速的免疫荧光测定，这种定量可以准确监测抗原表达，细胞结合和杀伤及定量的形态学特性，以揭示诸如肿瘤相关抗原表达的准确定位及定量信息。2. 定量共聚焦图像分析借助于ACAS激光共焦系统，可以获得生物样品高反差、高分辨率、高灵敏度的二维图像。可得到完整活的或固定的细胞及组织的系列及光切片，从而得到各层面的信息，三维重建后可以揭示亚细胞结构的空间关系。能测定细胞光学切片的物理、生物化学特性的变化，如DNA含量、RNA含量、分子扩散、胞内离子等，亦可以对这些动态变化进行准确的定性、定量、定时及定位分析。3. 三维重组分析生物结构ACAS使用SFP进行三维图像重组，SFP将各光学切片的数据组合成一个真实的三维图像，并可从任意角度观察，也可以借助改变照明角度来突出其特征，产生更生动逼真的三维效果。4. 动态荧光测定Ca2+、pH 及其它细胞内离子测定，利用ACAS能迅速对样品的点，线或二维图像扫描，测量单次、多次单色、双发射和三发射光比率，使用诸如Indo-1、BCECF 、Fluo-3等多种荧光探针对各种离子作定量分析。可以直接得到大分子的扩散速率，能定量测定细胞溶液中Ca2+对肿瘤启动因子、生长因子及各种激素等刺激的反应，以及使用双荧光探针Fluo-3和CNARF进行Ca2+和pH的同时测定。5. 荧光光漂白恢复（FRAP）——活细胞的动力学参数荧光光漂白恢复技术借助高强度脉冲式激光照射细胞某一区域，从而造成该区域荧光分子的光淬灭，该区域周围的非淬灭荧光分子将以一定速率向受照区域扩散，可通过低强度激光扫描探测此扩散速率。通过ACAS可直接测量分子扩散率、恢复速度，并由此而揭示细胞结构及相关的机制。6. 胞间通讯研究动物细胞中由缝隙连接介导的胞间通讯被认为在细胞增殖和分化中起非常重要的作用。ACAS可用于测定相邻植物和动物细胞之间细胞间通讯，测量由细胞缝隙连接介导的分子转移，研究肿瘤启动因子和生长因子对缝隙连接介导的胞间通讯的抑制作用，以及胞内Ca2+、PH和cAMP水平对缝隙连接的调节作用。7. 细胞膜流动性测定ACAS设计了专用的软件用于对细胞膜流动性进行定量和定性分析。荧光膜探针受到极化光线激发后，其发射光极性依赖于荧光分子的旋转，而这种有序的运动自由度依赖于荧光分子周围的膜流动性，因此极性测量间接反映细胞膜流动性。这种膜流动性测定在膜的磷脂酸组成分析、药物效应和作用位点，温度反应测定和物种比较等方面有重要作用。8. 笼锁-解笼锁测定许多重要的生活物质都有其笼锁化合物，在处于笼锁状态时，其功能被封闭，而一旦被特异波长的瞬间光照射后，光活化解笼锁，使其恢复原有活性和功能，在细胞的增值、分化等生物代谢过程中发挥功能。利用ACAS可以人为控制这种瞬间光的照射波长和时间，从而达到人为控制多种生物活性产物和其它化合物在生物代谢中发挥功能的时间和空间作用。9. 粘附细胞分选ACAS是目前唯一能对粘附细胞进行分离筛选的分析细胞学仪器，它对培养皿底的粘附细胞有两种分选方法： ① Coolie-CutterTM法，它是Meidian公司专利技术，首先将细胞贴壁培养在特制培养皿上，然后用高能量激光的欲选细胞四周切割成八角形几何形状，而非选择细胞则因在八角形之外而被去除，该分选方式特别适用于选择数量较少诸如突变细胞、转移细胞和杂交瘤细胞，即使百万分之一机率的也非常理想。 ② 激光消除法，该方法亦基于细胞形态及荧光特性，用高能量激光自动杀灭不需要的细胞，留下完整活细胞亚群继续培养，此方法特别适于对数量较多细胞的选择。10. 细胞激光显微外科及光陷阱技术借助ACAS可将激光当作“光子刀”使用，借此来完成诸如细胞膜瞬间穿孔、切除线粒体、溶酶体等细胞器、染色体切割、神经元突起切除等一系列细胞外科手术。通过ACAS光陷阱操作来移动细胞的微小颗粒和结构，该新技术广泛用于染色体、细胞器及细胞骨架的移动。