反向旋转盘片

共聚焦显微镜因高分辨率、三维成像等特点得以广泛应用，被誉为显微镜领域的“金标准”。然而，最早的点扫描共聚焦显微镜在进行活细胞成像时，由于其成像速度较慢，往往难以满足快速动态观察的需求。为了克服这一限制，转盘共聚焦显微镜技术应运而生，它显著提高了成像速度，为活细胞的动态观察提供了有力支持。尽管转盘共聚焦显微镜技术在国际上已相对成熟，但国内市场长期依赖进口，缺乏自主知识产权的产品。北京大学的席鹏教授长期从事光学成像技术开发，在看到转盘共聚焦显微镜的巨大市场需求后，他带领团队成功研制出首款国产单转盘共聚焦显微镜，填补了国内在该领域的空白。近日，在全球科学仪器新品发布会暨“突破创新”主题论坛上，仪器信息网就国内首款转盘共聚焦新产品采访了席鹏教授，详细了解该新品的研发历程和技术创新点。仪器信息网：贵团队长期专注做光学工程研究，在许多成像技术方面都有重要成果，此次为什么选择单转盘共聚焦技术进行产业化？席鹏：这是一个非常好的问题。我们公司在成立之初，开发的第一款产品是偏振结构光超分辨显微系统PolarSIM。此后，我们随着与用户不断深入探讨，很多用户提出了希望进行对更厚的样品三维成像的需求。很自然地，我们就想到了共聚焦这个方案。在针对点扫描、单转盘、双转盘等多种不同的技术方案进行了深入比较后，我们选择了重新回到单转盘这个技术上，并以此作为突破口来革新现有的转盘共聚焦系统，实现多色、大视野、高分辨、快速成像。仪器信息网：该单转盘共聚焦显微镜的研发历时多久？团队在研发过程中遇到了哪些技术挑战？席鹏：我们Nova SD转盘共聚焦系统的研发总共大约是1年的时间。在我们刚开始研发的时候，面临的主要挑战是不同方案的选择。目前，点扫描和双转盘是共聚焦里面两种主流的技术，他们各有优劣：点扫描能够实现更高的分辨率，但是它的成像速度受限；双转盘能够达到比较高的速度，但是它的分辨率和层切能力受限。我们在研发的过程中，就希望找到一款“既要又要”的解决路径，最终我们从第一性原理出发，通过光学的原创设计，实现了“多、大、高、快”的这样一款能够广泛兼容不同厚度、不同散射特性样品的转盘共聚焦产品。而这一年的研发，主要还是得益于我们在PolarSIM开发的过程中，已经提前储备了对于不同维度的图像数据采集与存储的需求，比如多色、多点、大图拼接、时间序列、多层成像，以及他们的组合。我们的工程师把这些用户需求的功能与转盘共聚焦这一核心成像模式有效对接起来，成就了我们Nova SD的快速开发。给一个对比的时间是，我们在开发PolarSIM过程中，开发这套WeaveLight控制与分析软件，就花了3年的时间。仪器信息网：请您系统介绍一下此次带来的Nova-SD转盘共聚焦显微成像系统。相较于市场上主流的双转盘共聚焦显微镜产品，它的创新点和产品优势有哪些？席鹏：目前，双转盘仍然是转盘共聚焦的主流方案。我们通过调研发现，双转盘这一设计虽然能够有效地把入射激光引导到对应的针孔阵列中，但他最大的问题是，它的二向色镜是卡在上边的微透镜阵列和下边的微针孔阵列之间的，而二向色镜的大小决定了视野大小。这就导致现在的双转盘视野一直做不大。当问题被找到以后，解决方案就豁然开朗了：我们通过无屋顶式设计，取消了微透镜阵列，这样就能够实现非常自由的微针孔阵列排布，可以达到分辨率和层切能力的自由选择。这个创新所带来的优势有：第一，我们可以通过采用更大的二向色镜，来实现更大的成像视野。目前我们的视野数已经做到了25mm，是远大于主流的16mm视野数的，面积上大了2.5倍；第二，我们可以采用更厚的二向色镜，二向色镜加厚，它的光学平整度就更好，因此成像质量更好；第三，以前的双转盘，上下两个盘必须是一一对应严丝合缝的，这就导致上边的微透镜大小全都是一样的，因此下面的针孔阵列距离不能小于微透镜的直径。而用单转盘，就可以很灵活地设计针孔的大小和间距，做到按照用户的样品定制化我的针孔阵列，从而实现高层切能力或者高速成像的平衡；第四，上下两个盘的严格对应，带来两个应用上的问题：第一是两个盘很重，转不快；第二是两个盘一旦失配，上边的激光立马就完全被挡住了，而且这个需要返厂才能调回来。我们通过单转盘设计，第一盘片变轻了，转的更快；第二没有失配的问题，让用户更省心。总的来说，我们采用无屋顶设计，实现了多色、快速、好用、省心的这样一款中国原创的转盘共聚焦新系统。仪器信息网：Nova-SD转盘共聚焦显微成像系统的主要应用有哪些？能解决用户哪些痛点？席鹏：我们的转盘共聚焦显微成像系统能够在所有荧光显微成像的应用领域得到应用，包括固定样品、活细胞、多层细胞、类器官、组织等。它能够应用在细胞生物学、神经生物学、发育生物学、遗传生物学、细胞生物学、微生物学、组织病理学、肿瘤学、免疫学、高内涵药物研发、材料科学等。它可以解决用户在三维成像上的广泛需求，比如多色、大视野、甚至包括拼图、多层、高分辨、快速成像等核心应用需求。仪器信息网：中国共聚焦显微镜市场仍以进口品牌为主，之前转盘共聚焦国产品牌更是为零。在这种情况下，您认为艾锐科技新产品的出现对于市场意味着什么？如何进一步提升市场竞争力？席鹏：艾锐Nova SD的出现，不仅能够给用户提供更好的产品体验，而且我们希望通过中国的供应链优势，让这款产品能够深入到个人实验室。什么意思呢？过去，转盘共聚焦普遍在300万人民币以上，这使得一个课题组很难拿出这么多经费来采购，只能和其他用户共享。而在各个大学成像平台上的共聚焦系统又是普遍机时约得非常满的，造成想做实验的时候做不上、需要等机时，等机时到了细胞状态可能又不好了的困境。我们希望我们的产品能够通过提供高性价比的显微系统，让产品能够下沉到个人实验室。这样，用户就能够在合理的预算下，拥有属于自己实验室的共聚焦。而平台的老师，则可以考虑添置一套我们的共聚焦系统，来解决目前用户爆满的问题。仪器信息网：目前新产品是否已经收到来自用户或合作伙伴的初步评价？对于该新品的市场表现和用户反馈，您有哪些期待？席鹏：我们的共聚焦新产品目前已经收到了来自国内多个实验室的用户测试和一致好评。在我们在6月18日在仪器信息网进行新品发布的当天，来自北京脑科学研究所的赵瑚研究员就讲述了他和转盘共聚焦的故事，以及对我们的产品的使用体验。总的来说，由于我们的转盘能够进行高度定制化，就使得用户的样品不管是薄的厚的，低散射还是高散射，都能够得到非常漂亮的共聚焦层切数据。在未来，我们期待进一步与用户共同成长。作为一个刚刚诞生的新产品，就跟一个孩子一样，他肯定不是成熟的；但是通过我们艾锐的不懈努力和对产品精益求精的追求，我相信，当样机到您的研究机构进行demo的时候，您在使用过程中会感受到我们的技术实力，和我们用心的地方。仪器信息网：您认为“创新”对于科学仪器行业的意义是什么？席鹏：我认为，最大的创新来源于对用户需求的深入思考。亨利福特说过：“如果你问用户他需要什么，他会回答你，他需要跑的非常快的马。”科学仪器也是一样，很多科学仪器在刚刚诞生时，往往是由一个实验室的创新成果驱动的，换句话说，它不是由市场驱动的。这个先天因素不要紧，但是如果一直为了创新而创新，就如同为了发文章而发文章一样，会造成市场的不认可。而市场的认可，才是技术创新的源源不断的推进力量。对于科学仪器，除了要求新以外，还有一点是，这个新对于用户有没有价值？在你的创新产品中，用户有没有用的不方便、不顺畅的地方？我们不能只是盯着“核心知识产权”这一个长板，这个长板我相信所有的科学仪器都有，还得盯着你的一系列的短板，平心静气、一点点地补齐这些差距。还有就是，不要害怕和忽视用户的反馈。一个好的产品，只有不断在使用中打磨，才能不断成长。国际大公司在两个点上投入都非常大：一个是用户体验，一个是用户培训。我们的国产仪器有不少是刚刚起步的，在这两点上还需要继续下功夫，学费得交足，才能建立同样的口碑和用户粘性这两个护城河，让品牌不断成长。仪器信息网：您的科研生涯中与许多国际知名专家共事过，您认为国内外学者在技术创新过程中有哪些不同？在光学显微技术的产业化道路上，他们有哪些先进经验可以借鉴？席鹏：我觉得国内外的区别目前来看，主要的差距在于人才和技术的跨国属性上。换句话说，在欧美更容易看到一个国际化的团队，广泛利用不同国籍专家的大脑，和不同地区技术及产品的优势，通过组合来迅速获得市场。而国内，则很自然地几乎清一色中国人团队，强调国产化率，最后形成产品。这个没有哪个是对的，只是随着我们的发展，一定要把“人才引进”和“改革开放”更深入下去，积极融入全球化的发展趋势中。当然从深层次的原因来说，我们在仪器方面的发展目前还在初级阶段，雇不起外国人来进行科研，我们目前的薪水也远没有达到“具有国际竞争力”。这些是我们应该客观、清醒地认识到的差距。在光学显微这个小领域，我们国内目前做得是不错的，既有非常深厚的传统显微镜加工能力，又有类似结构光超分辨、光片显微这些新兴产品的不断涌现，这个规模和发展速度已经超越了全球包括美国在内的其他国家。那么接下来，我们就更应该“走出去”，把我们优秀的产品带到全球科研仪器的平台，让国际友人能够用美元、欧元、英镑买到我们的科技产品。就像当年我们的一带一路、茶马古道一样，我们曾经把青花瓷和茶叶、纺织品带到全世界，现在我们也把高端显微镜带给全球的科学家。

生命科学研究过程离不开各类科学仪器的帮助，仪器信息网特别策划话题：“生命科学技术平台经验分享” ，邀请高校、科研院所公共技术平台的老师分享技术心得和经验，方便生命科学领域研究人员了解相关技术进展，学习仪器使用方法。本篇为深圳湾实验室生物影像平台助理工程师黄诗娴供稿。本文详述了转盘共聚焦显微镜的技术原理和优势、历史沿革、功能和主要应用。点击图片了解更多技术1987年，BIO-RAD公司推出了第一台商业化的共聚焦显微镜。随着激光器技术等各类技术的快速发展，共聚焦显微成像技术更加成熟完备，开始广泛应用于生命科学、材料科学等各个方面。传统的激光点扫描共聚焦显微镜使用逐点扫描，虽然隔绝了非焦平面的杂散光信号，提高了成像分辨率及信噪比，但是成像速度较慢。其光电倍增管检测器PMT的光电转换效率也比较低，需要较强的激发光。为了解决快速变化过程的共聚焦检测问题，实现活细胞长时间成像，发展了转盘共聚焦显微镜（Spinning-disk Confocal Microscopy，SDCM），解决了传统激光点扫描共聚焦显微镜成像速度相对较慢以及光毒性较高的问题。转盘共聚焦显微镜历史沿革和技术优势转盘共聚焦显微镜的概念最早是在1968年由Petrán提出的，在20世纪90年代由日本Yokogawa Electric公司发明了其核心技术：双转盘专利技术。双转盘装置包含了两个同轴排列的转盘，上转盘是带有微透镜阵列的转盘，下转盘是放置在物镜像平面上的带有约20000个阿基米德螺旋状针孔的Nipkow转盘，针孔及微透镜的位置是一一对应的，两个转盘的间距为微透镜的焦距。显微镜工作时，入射光经过微透镜阵列聚焦到Nipkow转盘针孔上，经针孔隔除杂散光后照射在样本上，无需移动载物台或使用扫描振镜，双转盘可进行多点同步扫描，旋转双转盘即可实现对样本的完整扫描，大大提高了采集速度。使用微透镜阵列聚焦激发光，照明光的透射率从使用单Nipkow转盘的4%-6%增加到40%-60%，进一步降低激发光的强度，即使是荧光蛋白表达量非常低的活细胞也可以轻松成像。Yokogawa Electric公司设计了转盘式显微镜目前最先进的共聚焦扫描单元（Confocal Scanner Unit ，CSU）（图1），其CSU-X1转盘最高旋转速度为每分钟10000转，理论上最大帧率高达每秒2000帧。较慢的CSU-W1转盘转速也有4000转，成像速度最大可达200帧/秒，非常适用于快速变化过程检测。图1：Yokogawa转盘共聚焦扫描单元结构示意图（图片来源：Carl Zeiss Microscopy Online Campus）转盘共聚焦显微镜的主要优势之一是使用面阵相机进行成像。激光点扫描共聚焦系统的PMT检测器的量子效率较低，通常为30%-40%，而SDCM使用EMCCD或背照式sCMOS等相机作为探测器，可以具有更高的量子效率，从而降低激发光功率，大大降低了对样品的光漂白和光损伤。为了让相机尽可能多地收集光子，获取高质量图像，应选择高灵敏度的相机。EMCCD相机低噪声、高灵敏，曾经是转盘共聚焦显微系统的第一选择。而如今背照式sCMOS的量子效率可高达95%，且具有与EMCCD相当的灵敏度，其被使用率开始逐渐高于EMCCD相机。此外，背照式sCMOS具有低噪声、高帧率、高动态范围、高分辨率、大靶面的特点，而且功耗更低、集成度更高，成本更低。因此，在未来的发展中，背照式sCMOS有望成为更加主流的图像传感器，应用于各类显微成像技术中。总而言之，转盘共聚焦显微镜因为双转盘技术和高量子效率相机的组合，可以高速运行并且具有非常高的信噪比。转盘共聚焦显微镜主要功能及应用转盘共聚焦显微镜因其成像速度快，层切能力好等特点，常用于多通道荧光成像、拼图及三维成像，如多荧光通道全脑片成像，斑马鱼、透明化小鼠等大组织厚样本三维拼图成像等。转盘共聚焦显微镜可以配置单相机或多相机，配置多个激光器及对应的滤光片组，快速成像多个荧光标记的样本。通过移动电动载物台实现多视野拼图成像，为避免出现拼痕，需做好仪器放大倍数校正、阴影校正及光照均匀度校正等，同时配置合适的拼图软件模块，得到所需大图。通过上下移动物镜或者压电陶瓷载物台实现Z stack三维扫描，结合三维重构软件模块，得到所需三维图像或最大投影图等。因转盘共聚焦显微镜成像采集速度快及光毒性低等优点，非常适合于活细胞成像及活细胞长时程成像，检测信号快速变化过程及信号长时间变化过程，满足细胞动力学、发育生物学等多方面的研究需求。活细胞成像需在显微镜上配置细胞培养装置，提供适宜的培养环境。配置使激光器照明和相机成像达成微秒级别同步的实时控制器，以降低光漂白和光毒性，使细胞在复杂的试验中保持健康的状态。仪器在进行XYT、XYZT成像，甚至是结合多视野、拼图、超分辨的时间序列成像时，需要配置超稳定的锁焦系统使样本始终处于聚焦状态，如Olympus的Z轴漂移补偿系统IX3-ZDC2，Nikon的完美聚焦系统PFS等。进行多视野的时间序列成像时，需要配置高精度的电动载物台，或确保载物台位移精度在可接受范围内。当载物台位移精度较低时，移动到每个成像视野会有较明显的位置偏差，导致成像结果视频中观察的样本出现肉眼可见的抖动现象，高倍镜成像时会更加明显，影响数据查看及成像分析。同时结合相应的分析软件，获得所需活细胞及时间序列的成像分析结果。高内涵细胞成像与分析系统大多使用转盘共聚焦显微成像技术。高内涵细胞成像与分析系统需同时具备自动化高速显微成像功能及自动化图像定量分析功能，可对多个样品快速成像，并从图片中提取大量的数据信息。转盘共聚焦显微成像技术既可以快速地获取多孔板大量的图像数据，并且相较于宽场荧光显微镜而言具有更高的图像分辨率及信噪比，可以提供全自动、高速和高分辨率成像筛选的多种解决方案，能满足药物发现和高通量生物学中多种需求。此外，使用转盘共聚焦显微成像技术还能进行z轴扫描获取三维图像，例如对类器官、组织或3D肿瘤球等三维样本成像，从而进一步分析更多的生理学相关问题。转盘共聚焦显微镜上可以添加各类功能扩展模块，例如超分辨成像模块和光刺激模块等。可以在转盘共聚焦显微镜上添加超分辨成像模块，如Olympus的超分辨技术OSR，是对共聚焦荧光显微镜截止频率附近逐渐减弱的高频信号，进行空间放大的空间频率滤波器，称为OSR滤波器。SpinSR10的SoRa转盘中，在50um针孔盘下添加了微透镜阵列，进一步缩小光斑，提升3~6倍的照明亮度。其可对细胞内深达100微米的区域进行成像，使用常规荧光染料即可在120 nm的分辨率下，采集到各种活细胞样品亚细胞结构的超分辨率图像。还可以在转盘共聚焦显微镜上添加光刺激或光操作实验模块，可进行荧光漂白后恢复FRAP、荧光漂白后缺失FLIP、荧光漂白后定位FLAP、光活化与光转换PA&PC等实验。下一篇作者将根据深圳湾实验室生物影像平台管理经验介绍生物影像平台设备管理心得及未来可提升空间，敬请期待！作者简介黄诗娴，深圳湾实验室生物影像平台助理工程师，南方医科大学生物医学工程硕士，主要负责管理激光共聚焦显微镜、活细胞成像系统、玻片扫描系统等显微成像设备，负责相关设备的管理维护、培训考核、开放共享、成像技术开发等工作。会议预告：12月20-22日生物显微技术大会火热报名中点击图片报名报名链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/swxw2023/

艰难困苦 玉汝于成2020已成过往 实“鼠”不易砥砺前行 不负韶华2021重新出发 “牛”转乾坤 为感谢广大客户与粉丝一直以来的支持和陪伴连华科技欢乐开启【牛转乾坤 福气驾到】活动幸运大转盘，转出好运来！ （抽奖页示意图） 没有复杂的流程没有花样的规则只要你动动手指就有机会赢取小熊加湿器、飞科毛球修剪器、乐扣餐具… … 赶快拿起手机转出属于你的新年幸运吧！ （实物奖品图片） 活动详情 活动时间2021年2月4日-2月10日 活动对象“连华科技”微信公众号的新老粉丝参与方式第1步：关注“连华科技（lianhuakeji001）”微信公众平台第2步：回复关键词“大转盘”或点击下面菜单 “大转盘抽奖” 第3步：文末点击“阅读原文”，进入活动链接，即可参与抽奖。活动规则每人每天均有2次免费抽奖机会！每日分享朋友圈/群聊即可再得1次机会活动持续7天每人最多可享21次抽奖次数奖品有限 先到先得！兑奖规则本次活动奖品全部为实物礼品抽中奖品后20分钟内需完成领奖步骤填写个人领奖信息若逾期未填视为自动放弃 特别提醒：因活动时间临近农历新年且全国各地受疫情政策影响快递收发存在不可控因素因此所有奖品将于年后2月19起开始发放我们确保所有奖品会如实快递派发但奖品送达时间可能存在差异请中奖用户耐心等待本活动最终解释权归连华科技所有 还等啥呢！赶快点击“阅读原文”参与幸运大转盘！愿你逢抽奖必中越转越幸运！ 感恩相伴 梦想同行用户的肯定是我们前进的最大动力如果您对连华科技的产品和服务有想法或建议欢迎在公众号内留言我们将随机送出惊喜礼品哦！ 企业简介 连华科技是一家创新型实体，总部位于北京，在全国16个地区设立分公司及办事处。在近40年的研发与发展过程中，连华科技始终保持水质分析测试领域的核心竞争力，研发出多参数、COD、氨氮、BOD、总磷、总氮、重金属等水质分析仪二十余系列及丰富的专业化配件、试剂，可测定百余项水质指标，已发展成为一家集研发、生产、销售、解决方案服务为一体的复合型企业。 连华科技致力于解决当今人类生存环境所面临的一些重大挑战，同时十分注重用户的需要，积累了环保监测、科研院所、石油化工、食品酿造、医药卫生、纺织印染、电镀电力等不同行业的模型与数据，产出更富效率与价值的解决方案，与20余万家的客户和机构共同发展。连华科技已于2017年入驻京东、天猫等线上商城，满足不同用户的多样化体验。 我们始终牢记我们的使命：让人类环境更加美好。