西电智能大作业Word文档下载推荐.docx

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一般购买显微镜摄像头时都会带有图像分析软件，所以人们很容易和混绕，误以为显微镜成像系统等于显微镜摄像头。

2、系统分类

1.基础图象测量软件

基本的图象捕获，增强及简[1]单的测量工具

2.通用分析图象处理软件

应用于科学/工业的图象分析，可以提出证明实验数据

3.特定功能的图象分析软件

解决相关领域特殊的图象分析要求

3、类别纲目

1、可见光显微镜

1）、按照明技术分

、明视野显微镜

、暗视野显微镜

、荧光显微镜

2）、按像的类型分

、相差显微镜

、干涉相差显微镜

、偏光显微镜

3）、按镜体结构分

、倒置显微镜

、实体显微镜

、比较显微镜

4）、按应用范围分

、教学显微镜

、研究显微镜

、大型万能显微镜

2、不可见光显微镜

1）、紫外光显微镜

2）、红外光显微镜

3）、X射线显微镜

四、显微成像系统的发展历史

公元前一世纪人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时可以使其放大成像。

1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器。

1610年前后，意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜的同时，改变物镜和目镜之间的距离，得出合理的显微镜光路结构，当时的光学工匠遂纷纷从事显微镜的制造、推广和改进。

17世纪中叶，英国的胡克和荷兰的列文胡克，都对显微镜的发展作出了卓越的贡献。

1665年前后，胡克在显微镜中加入粗动和微动调焦机构、照明系统和承载标本片的工作台。

这些部件经过不断改进，成为现代显微镜的基本组成部分。

1673～1677年期间，列文胡克制成单组元放大镜式的高倍显微镜，其中九台保存至今。

胡克和列文胡克利用自制的显微镜，在动、植物机体微观结构的研究方面取得了杰出成就。

19世纪，高质量消色差浸液物镜的出现，使显微镜观察微细结构的能力大为提高。

1827年阿米奇第一个采用了浸液物镜。

19世纪70年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。

这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，并为19世纪后半叶包括科赫、巴斯德等在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。

在显微镜本身结构发展的同时，显微观察技术也在不断创新：

1850年出现了偏光显微术；

1893年出现了干涉显微术；

1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术，并因此在1953年获得了诺贝尔物理学奖。

古典的光学显微镜只是光学元件和精密机械元件的组合，它以人眼作为接收器来观察放大的像。

后来在显微镜中加入了摄影装置，以感光胶片作为可以记录和存储的接收器。

现代又普遍采用光电元件、电视摄像管和电荷耦合器等作为显微镜的接收器，配以微型电子计算机后构成完整的图像信息采集和处理系统。

进入21世纪后，显微镜的发展除了在光学系统上改进和完善外，还呈现出光学技术与电子技术相互结合的趋势，将先进的光路系统与电子控制、采集元件进行整合，提高显微镜的性能并大大改善显微镜操作的便捷程度。

准确观察到细胞内部的活动，一直都是科学家们孜孜以求，费心探索的一个目标。

最开始科学家们尝试的是体外成像，但是体外成像无法满足天然环境下描绘生物过程的需要，因此他们开始逐渐从体外观测转向对体内生物体过程的研究。

体内成像，也就是活体成像技术发展至今，已经可以称为活体荧光成像了，采用荧光成像具有操作简单，结果直观，灵敏度高等优点，但虽然如此，活体荧光成像依然存在许多问题，首先就是信号水平不高，假阴性较多的问题，2008年，也就是细胞成像技术被《NatureMethods》评为年度技术的那一年，荧光显微技术焕发出了全新的光彩，超高分辨率荧光显微技术诞生了。

传统光学显微镜受限于光的波长，对于200nm以下的小东西只能摇头兴叹。

虽然电子显微镜可以达到纳米级的分辨率，但通电的结果容易造成样品的破坏，因此能观测的样本也相当有限。

分子生物学家虽然可以做到把若干想观察的蛋白质贴上荧光卷标，但这些蛋白质还是经常挤在一块，在显微镜下分不出谁是谁。

之后几年高分辨率荧光显微镜跨越了一大步，使得研究者可以从纳米级观测细胞突起的伸展，从而宣告200—750纳米大小范围的模糊团块的时代结束了。

比如利用光敏定位显微镜：

PALM可以用来观察纳米级生物，相较于电子显微镜有更清晰的对比度，如果给不同蛋白接上不同的荧光标记，就能用来进一步研究蛋白质间的相互作用。

2006年华裔科学家庄小威研究组开发了一种随机光学重建显微镜（stochasticopticalreconstructionmicroscopy,STORM）的技术。

使用STORM可以以20nm的分辨率看到DNA分子和DNA-蛋白质复合体分子。

这一方法基于光子可控开关的荧光探针和质心定位原理，在双激光激发下荧光探针随机发光，通过分子定位和分子位置重叠重构形成超高分辨率的图像，其空间分辨率目前可达20nm。

STORM虽然可以提供更高的空间分辨率，但成像时间往往需要几分钟，同时还不能满足活体实时可视的成像的需要，发展空间很大。

与此同时，另外两个研究组也报告了新方法提高了分辨率，他们的技术称为荧光激活定位显微镜技术，简称FPALM。

2007年，研究人员证实FPALM可以用来检测脂质筏中聚集的蛋白。

自此之后，荧光显微技术飞速发展，研究人员首先将PALM和单粒子失踪结合起来探测肝细胞膜蛋白的运动，之后庄小威研究组又展示了3DSTORM成像，证明这比三维空间衍射极限空间分辨率更好。

除此之外来自哈佛大学的谢晓亮教授将SRS显微技术与核磁共振成像（MRI）技术联合起来，从而能快速灵敏的捕捉活体组织中分子运动，比如血细胞挤压通过血管的过程。

这项技术镜头分辨程度达到亚细胞水平，可记录下蛋白、脂肪及细胞内液的情况。

由于SRS显微镜可以探测到原子间化学键的共振，因此无需荧光标记。

研究人员认为SRS显微镜可以在肿瘤摘除手术方面有所帮助，加快手术进程。

传统的样本分析需要花费约20分钟，SRS显微镜几乎可以做到实时扫描。

2010年双光子显微镜的出现让大脑成像系统有了进一步的发展，双光子显微镜可探测至大脑内部1毫米的深度，这超过普通光学显微镜的十倍。

而利用荧光传感器探测神经元活动则使数据更加稳定可靠。

这些新技术与制备工艺的完美结合为人类研究大鼠和小鼠的大脑提供了物理的和光学的方法，从而使活体动物完整大脑组织的神经信号传递的可视性得以实现。

另外在肿瘤组织成像方面，来自美国的科学家们利用一种称为非线性干涉成像技术（NIVI）的新型显微检测技术对大鼠乳腺癌细胞和组织进行扫描在不到五分钟的时间内生成了易读的彩色编码组织图像，图像中肿瘤边界清晰，准确率高达99%。

今年，来自加州大学旧金山分校研究人员又报道了一种活体肺组织实时成像技术——高速双光子成像（video-rate,two-photonimaging），这种技术能首次在不影响肺组织正常生理功能的情况下，实现对细胞活动进行实时成像观测。

而来自美国能源部布鲁克海文国家实验室的研究人员开发了一种新型的RatCAPPET活体动物成像系统，这一新型设备为神经科学家们研究处于清醒和活动状态下的动物大脑功能和行为提供了新工具。

除此之外，值得重点关注的还有单层光显微技术（lightsheetmicroscopy），这一显微技术利用薄的，扁平的单层光照射生物样品，从而可以对数毫米的样品进行观察，并能进行荧光成像。

利用这种技术，研究人员可以观察细小生物体和胚胎组织。

他们还将双光子激活与单层光显微技术结合在了一起，从而获得了能进行高分辨率，高穿透深度（可以观察到三维样品内部），以及高成像速度的活体生物成像的新技术

目前全世界最主要的显微镜厂家主要有：

奥林巴斯、蔡司、徕卡、尼康等。

AMG无目镜倒置显微镜作为一种全新模式的显微镜，将显微镜光路系统进行高度整合，以显示屏替换了传统的观察目镜，为使用者的观察和拍摄工作提供了极大的便利。

五、应用实例

1、激光扫描共聚焦显微镜（laserscanningconfocalmicroscope,LSCM）是目前生物学领域应用最广泛、分辨率高的仪器。

可用于细胞内形态结构观察及三维重建、组分空间定位、实时动态变化监测等研究，图像分析软件还能提供荧光强度、空间距离定量测定的丰富信息。

本文以携带GFP融合拟南芥丝束蛋白1（AtFIM1）的肌动蛋白结合结构域2（fABD2）基因的BY-2转基因细胞系为材料，运用LSCM技术观察到间期细胞的网络状微丝结构并重构出胞内微丝的三维网络结构；

实时动态监测细胞有丝分裂过程中微丝骨架的动态变化；

通过细胞内荧光强度的分布直观地看出BY-2细胞胞质分裂过程中微丝骨架的动态变化。

这些结果显示出LSCM在研究植物细胞微丝骨架的三维网络动态结构及图像荧光强度分析与统计方面的优越性。

2、据物理学家组织网近日报道，美国斯坦福大学的科学家开发出一种荧光成像技术，能够使活体动物血管脉动以前所未有的清晰度呈现。

与传统的影像技术相比，其增加的清晰度类似于擦拭掉眼镜前的迷雾一般。

该研究结果发表在最新一期的《自然医学》杂志在线版上。

　　该技术被称为近红外-Ⅱ成像，或NIR-Ⅱ。

研究人员首先将水溶性碳纳米管注射到活体的血液中，然后用激光照射要观察的对象，如小白鼠。

激光的波长在近红外范围内，约为0.8微米，可导致专门设计的碳纳米管发出1微米至1.4微米的波长更长的荧光，用于检测确定血管的结构。

　　碳纳米管发出的荧光波长要比传统成像技术更长，这是实现令人惊叹的微小血管清晰图像的关键。

由于更长波长光散射较少，因此形成了更清晰的血管图像。

此外，这种技术使图像呈现更精致的细节，允许研究人员能够获得一个快速的图像采集速度，近乎实时地测量血流量。

　　同时获得血流信息和看到清晰血管对于动脉疾病动物模型的研究将特别有用，如血流是如何受到动脉阻塞和收缩诱发的影响，还有其他事项如中风和心脏病发作的影响。

　　研究人员说：

“对于医学研究而言，这是一个非常好的观察小动物特征的工具。

其将有助于我们更好地理解一些血管疾病，以及其对于治疗的反应和如何可以设计出更好的治疗。

”

　　由于NIR-Ⅱ至多只能穿透身体1厘米，所以它不会取代其他成像技术，而是X射线、CT、MRI和激光多普勒技术的补充。

不过，它却是一个用于研究动物模型的强大方法。

研究人员说，下一步将使这项技术在人体内更容易接受应用，并探索可替代的荧光分子。

他们希望找到小于碳纳米管又能够发出同样波长光的物质，以便使其可以很容易地从体内排出，消除任何毒性的担忧。

3、IBM科研人员描绘了一个单独的分子的化学结构，使得在分子甚至原子的尺度上创建电子元件成为可能。

IBM周四称其在瑞士苏黎世的科学家首次采用非接触原子力显微镜（NoncontactAFM）以前所未有的分辨率创建了一个单个分子的“解剖结构”或化学结构影像。

据IBM科研人员称，在分子内部解析单独的原子是表面显微镜领域存在多年的一个目标。

据悉，该研究将为制造分子甚至原子尺度的、更小、更快并且能量效率更高的处理器和存储设备提供必不可少的基础。

该成果于8月28日发表在著名的学术期刊Science上。

4、蛋白质及其复合物、组装体完整的三维结构的测定是研究生命活动中分子结构与功能关系，揭示生命现象的物理化学本质的科学基础。

对蛋白质可以从多种角度来进行研究，既可以从它的原始氨基酸序列来研究其分子结构功能；

也可以反过来对其结晶体进行X射线衍射和MRI成像，研究其分子三维结构，进而分析蛋白质的功能特性。

在蛋白质的研究过程中，蛋白质晶体的制备是不可缺少的，如下图中所示的设备为我司为能够满足蛋白质生长情况及形态学研究所配置的显微数码成像系统，系统主要包括光源、镜体和成像装置三个部分，能够轻松地对各种蛋白质晶体进行观察和研究。

5、到目前为止，人们还很难得知，SR荧光显微镜会对生物学界的哪一个领域带来重大变革，但已经有几个领域出现了明显的改变。

这些研究领域是动态及静态的细胞组织结构研究领域、非均质分子组织研究领域、蛋白动态组装研究领域等。

这几个领域都有一个共同的特点，那就是它们研究的重点都是分子间如何相互作用、组装形成复合物。

因此，能在纳米水平观察这些分子对它们来说具有重大的意义。

结构生物学研究在这方面已经取得了很大的进展，目前已经发现了4-8纳米大小的分子间相互作用组装成细胞微管、肌丝、中间丝这些超过10微米大小聚合物的机制。

不过对于核孔复合体、中心体、着丝点、中间体、粘着斑这些由许多不同蛋白经过复杂的三维组装方式组合起来的复合体，还需要更好的办法来进行研究。

目标就是要达到分子水平的分辨率，这样就可以观察大复合体形成过程中的单个分子，也就能对这些分子的化学计量学有所了解了。

要得到更多的生物学信息就需要SR显微镜这样的三维成像技术，例如可以使用活体细胞SR成像捕捉细胞骨架的动态重构过程等等。

细胞膜蛋白组织方式的经典模型已经从随机分布的液态镶嵌模型转变成了脂筏模型、穴样内陷模型或特殊蛋白模型。

这种差异与细胞不同功能相关，例如在高尔基体、cargo蛋白和高尔基体酶蛋白之间必须发生相互作用，但最终它们会按照各自的功能分开，发挥各自的作用。

有很多试验手段，例如免疫电镜技术、荧光共振能量转移技术（FRET）等都已经被用来研究这种膜不均一性问题了。

多色PALM技术（MulticolorPALM）为人们提供了一种新的手段用来观察膜蛋白集合、组织的过程，并且还能定量分析不同蛋白间的空间距离关系。

因为有了PALM提供的单分子信息，人们就可以清楚地了解蛋白分子间的空间关系，甚至有可能计算出相隔某一距离的分子之间发生相互作用的可能性。

这种方法除了用于研究膜蛋白之外，还能用于许多非随机分布的生物系统研究，例如研究微管上的马达蛋白。

细胞对外界刺激信号的反应起始于胞膜，在胞膜上受体蛋白之间发生动态的集合，用来调节细胞的反应活性。

像HIV这种有被膜病毒也是在细胞膜上完成病毒颗粒组装过程的病毒，也是利用了细胞的物质转运机制。

尽管现在蛋白组装的物理模型还远远没有完成，但研究人员知道膜蛋白的动态组装过程是不均一的，所以通常使用荧光试验手段很难获得分子水平上的信息。

同样，单分子测量技术（Singlemoleculemeasurements）也存在着类似的局限，因为单分子测量技术只能观察细胞内的几个分子，所以缺乏整体的信息。

因此由于缺乏空间分辨率，很难动态地研究蛋白质组装过程。

SR荧光成像技术与活细胞成像技术和单分子示踪技术（sptPALM）结合就能解决这一问题。

我们可以借助分子密度准确地看出PALM图像中的蛋白质簇，蛋白质簇动态的统计数据和形态学数据能帮助我们了解蛋白质动态组装的机制。

6、总结

显微成像技术在现代科学技术的研究与生产中占据着重要的位置，广泛应用于生物学、医学、地质、矿产、农业、畜牧以及一些工业部门中。

随着显微成像技术的发展，人们对微观世界的认识也越来越清晰和完善。

相信随着技术的发展进步，显微成像技术对于我们的世界的影响将会越来越大，他将会帮助我们更好的发展与前进！