显微镜配件

乔尼· 布莱切/文　　显微镜是科研领域最典型的象征之一，提起它，很多人的脑海里都会浮现出身穿白大褂在实验室里寻求重大突破的科研人员。你或许还记得童年时期第一次透过显微镜观察池水中的草履虫，或洋葱上的细胞结构时的场景。数十年来，在显微镜的帮助下，我们诊断了无数的致命疾病，拯救了无数人的 生命 。然而，在世界的很多地方，这种设备却依然非常短缺。　　但这种情形即将改变。科技正在发挥它应有的作用，它正在将智能手机、iPad甚至纸片变成耐用而便携的显微镜，而花费却只有区区几美元。　　美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家开发了一种小型设备，可以直接固定在智能手机或平板电脑上，将这些设备的摄像头变身为显微镜。他们使用3D打印机制作了这种配件，用它来固定价格低廉的玻璃珠，以此实现放大效果。　　　　一旦安装了这种配件，你就可以使用它观察标准载玻片上的样本，效果可以直接显示在屏幕上。目前有100倍、350倍和1000倍3种规格：100倍可以观察盐晶或叶片结构，350倍可以观察血液中的寄生虫（疟疾）或饮用水中的原生动物（隐孢子虫），1000倍可以观察炭疽孢子。这种配件的设计图可以直接在网上查看，所以如果你也有3D打印机，大约只需使用1美元的打印材料即可自己制作一个这样的显微镜。　　澳大利亚国立大学的史蒂夫· 李(Steve Lee)博士已经找到了一种方法，可以直接在烤炉上烘烤显微镜镜头，并将其固定在智能手机上。方法与Shrinky Dink很相似，只不过使用的是与隐形眼镜相同的材料。为了制作这样的镜头，史蒂夫· 李将一滴胶状的聚二甲硅氧烷滴在载玻片上，并在158华氏度（70摄氏度）的温度下烘烤至变硬为止。史蒂夫· 李把另外一滴聚二甲硅氧烷滴在底座上，将载玻片翻转后再次烘烤，利用重力作用来形成水滴的形状。还可以多加几滴来制作最佳的镜头形状。　　制作完成后，便可将镜头直接嵌入3D打印机打印的框架内，从而制作智能手机镜头。尽管放大倍数不算高，大约只有160倍，但仍然可以用于诊断黑色素瘤等疾病。这种小镜头的成本大约只有几美元。　　　　如果手头没有3D打印机和智能手机，还可以使用一些技术含量更低的方法：使用一张纸来制作，成本甚至不足1美元。斯坦福大学Prakash实验室的研究团队开发的Foldscope从折纸中获得了灵感，但却可以提供超过2000倍的放大效果。它看起来只是一张纸，把各个部位拆下来后便可以开始折叠了。研究人员并没有提供书面说明，但设计方案却很直观。一旦组装完成，便可使用这种显微镜观察常见的细菌和寄生虫。要制作Foldscope，只需要一张专门设计的聚丙烯纸、一个140倍的低倍数镜头或2180倍的高倍数镜头、一个3伏纽扣电池、一个白色LED灯泡、一个电滑块和一条铜带。　　Foldscope的设计者表示，他们希望达成两大使命：通过&ldquo 让全世界的每个孩子都有一台显微镜&rdquo 来影响科学教育，通过开发坚固、易用的诊断设备来影响人们的健康。　　这款产品已经提供给1万名用户进行测试，想要阅读测试者的故事，可以查看他们的官方博客Microcosmos。

自从1673年列文胡克发明显微镜，至今已经历了大约三百多年的历史，显微镜也从过去的单目变为双目乃至三目,由简单的观察变为可拍照，由初始的放大300倍左右到现在放大1000倍左右。 最近10年，随着数码摄影技术、信息技术和自动化技术的革新，显微镜的外观、舒适性、自动化程度以及方便性都出现了很大的发展。显微镜的外观上出现了一些革命性的变化，性能上有了进一步的提高。全球显微镜生产商都为此做出了不懈的努力。通过对一些特色产品的比较分析，不难发现显微镜设计上的一些特点，从中可以判断出未来显微镜的发展方向。 一、 拍得更清晰 显微镜目的就是为了更好地观察微生物，要求看得更清楚。显微镜厂商为此开发出各种各样的显微镜镜头来消除各种色差和场曲。最近，在显微镜上普遍采用了UIS2光学系统，它充分体现了无限远校正方式的优越性。光线通过物镜后成为平行光束通过镜筒，并在结象透镜处折射或完成无相差的中间象。UIS2无限远光学系统的物镜具有在宽波长范围内（由紫外至近红外区）具有一致的高透过率。同时具有更高的信噪比，不需要额外补偿就可以得到更为清晰的图像。例如美国AMG公司的EVOS fl大屏幕数码荧光显微镜所拍出的图像已经接近于激光共聚焦的水平。 二、 放大倍数更高 对于大多数显微镜来说，对样本的物理放大倍数是物镜放大倍数与目镜的放大倍数乘积。通常情况下，目镜的放大倍数为10倍或者16倍。以40倍物镜为例，也不过是放大400倍或者是640倍，如今却能够将放大倍数提高到840倍。例如美国AMG公司开发的倒置显微镜，在物镜下采用了21倍的光学放大，使得我们能够通过40倍的物镜就可以观察到放大倍数更高的图像了。如果换成100倍的油镜，就可以通过显示器观察到放大到惊人的2100倍甚至更高的图像，无不让人赞叹技术的发展之快。 三、 更为人性化的设计 一提到显微镜，我们的第一印象就是：弯着腰，低着头，抬着手臂，眼睛盯着目镜来观察。对于长期从事显微镜观察的科研人员来说，这一&ldquo 固定姿势&rdquo 往往会引起身体上的疲劳，肌肉损伤。曾经有一位科研人员因为长期观察显微镜而落下了颈椎病。因此改变传统的显微镜观察模式成为一项非常有必要而且紧迫的任务。 不过最近，各大显微镜厂商相继推出了一些更为人性化的显微镜，如美国AMG公司推出了大屏幕倒置显微镜系列，Nikon推出的Coolscope 显微镜，Olympus推出的智能生物导航仪FSX100，leica推出的DMD108等，均是无目镜的显微镜，直接通过液晶显示器来观察，实现了观察细胞就像玩电脑，就像看电影，大大减轻了显微镜观察时的疲劳。 四、 一体化的显微镜 也许现在我们接触到的显微镜大多是机械式的，需要手动来调焦距、调光源、调样品的位置，特别是针对细胞培养，出现了大量连续培养过程中显微观察的要求。为此，各个显微镜厂商设计了能够用于连续培养显微观察的显微镜或配件，如Nikon公司的显微活细胞工作站Biostation IM和Biostation CT，其中Biostation IM是专门针对35mm细胞培养皿设计的，系统中包含了温控系统，CO2气体系统和显微成像系统，可以实现自动化控制，连续培养显微成像。Biostation CT则是更为大型的系统。AMG公司整合了美国Ibidi公司开发的连续细胞培养配件，在其倒置显微镜上也可以实现温控和CO2的供气，从而实现细胞连续培养显微观察，它可以连续观察达60个小时，所采集的图像可进行视频连续播放，从而观察细胞生长过程中形态的动态变化。德国显微镜厂商Leica和Zeiss也开发了自己的连续培养显微观察配件。 五、 专门的网络化显微镜 在临床医学上，专家远程会诊，病理资源共享将会为疑难杂症的诊断和对症治疗提供更大的可能性，这就需要能够实现自动化远程操作的显微镜来观察病理切片。Nikon公司的Coolscope和Leica公司的DMD108为临床远程病理会诊提供了方便，它们专门为载玻片显微观察设计，自动转换物镜，自动对焦，得到的图像可直接通过网络发送到异地进行专家会诊。 六、 光源的革新 对于荧光显微镜，其稳定的激发光源对样本数码成像起着关键性的作用，到现在为止绝大多数显微镜还在使用卤钨灯或者是高压汞灯，一方面这类光源使用寿命短，需要3到4各月更换一次，每次更换后都需要专业工程师进行位置校准；另外一方面，这类光源的强度会随着使用寿命而衰减；还有一方面，这类光源对于显微镜操作来说需要预热来等待光源强度稳定，而且光源关闭后需要等待30分钟左右才能重启，这就造成了使用上的极大不便。 现在LED灯成为大家公认的新一代照明产品，它具有能耗低、光强稳定、寿命长等优点。AMG公司的倒置显微镜系列全部采用了LED光源系统，完全消除了前面所提到的卤钨灯和高压汞灯的使用不便，而且AMG针对荧光倒置显微镜开发了专利的Light cube&ldquo 光立方&rdquo 单色激发光源系统，光源强度可调，不同的单色激发光源可自由更换，在显微镜光源方面可以说是一场前所未有的革命。Leica的DMD108和Nikon的Coolscope也采用了LED光源，因此可以预见未来将会有更多的显微镜厂商采用LED光源。 结束语：综上所述，可以看出最近几年是显微镜出现革命性发展的阶段，越来越多的更为人性化、自动化的理念应用到显微镜设计上，显微镜的性能也大大提高，不仅仅是看到图像，还可以看得更大、更清晰，操作上可以自动化，可以远程控制。还有一些很鲜明的显微镜特点如Olympus 的FXS100的智能化设计，AMG 的EVOS fl荧光成像时无需暗室的独特暗盒设计等由于篇幅有限，无法详细介绍。 以前，在显微镜领域全球一直是Nikon、Olympus、Leica和Zeiss这四家占据着绝大多数的市场，如今美国AMG公司凭借其在倒置显微镜方面的独特设计，开始在显微镜市场上暂露头角。中国内地也出现了很多显微镜生产商，也许在不远的将来，中国制造的显微镜也可以让显微镜领域耳目一新，精神一振，我们期待着这一天早日到来。 参考资料网络来源： 1.http://www.amgmicro.com 2.http://www.leica-microsystems.com/ 3.http://www.nikoninstruments.com/content/download/5113/47632/version/2/file/BioStation-IM.pdf 4.http://www.olympusamerica.com/files/FSX100_brochure.pdf 5.http://www.szsn.cn/szsn_Article_11468.html 欢迎选购，详情请联系东胜创新各地办事处咨询。 　　东胜创新公司www.eastwin.com.cn 　　北京：010-51663168，上海：021-64814661，广州：020-38331360

成果名称超小型在体荧光显微镜系统的研制单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度□研发阶段 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介： 荧光显微镜技术是生物学和医学的重要研究手段，随着生物技术中荧光分子标记物的大量涌现，荧光显微镜技术在观察细胞活动方面日益显现出重要的作用。然而，传统意义上荧光显微镜是一种大尺寸和高费用的设备，很难实现对自由活动动物进行大脑神经活动成像研究，这大大制约了科学家对生物科学的中心问题&mdash &mdash &ldquo 行为的神经环路基础&rdquo 进行深入研究的可能。北京大学生命科学学院张晨课题组运用微集成技术结合神经科学、微光学和半导体光电学等技术，研制了一种具有完全自主知识产权的可用于自由活动动物的&ldquo 超小型在体荧光显微镜系统&rdquo ，实现了在单个神经细胞分辨率水平高速追踪神经传导，并对清醒、自由运动的动物进行大脑神经环路活动实时探测的功能，从而使得对动物自由行为时大脑神经网络的研究成为可能。这项工作获得了第四期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在基金的有力支持下，申请人完成了关键配件的购置和重要材料的加工，其工作得以顺利开展，克服了镜体小型化、CMOS芯片和光学胶合病毒粒子的封装等关键技术瓶颈，取得了良好的成果。目前该项目已顺利结题，并有多项专利申请，其成果获得第七届北京大学实验技术成果一等奖，相关工作处于产业化进程中。应用前景：荧光显微镜技术是生物学和医学的重要研究手段，随着生物技术中荧光分子标记物的大量涌现，荧光显微镜技术在观察细胞活动方面日益显现出重要的作用，应用前景广阔。