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偏振光顯微鏡及其對骨骼組織構(gòu)成材料的啟示

來源：儀景通光學科技（上海）有限公司 2024年12月27日 11:34

偏振光顯微鏡是一種先進的光學技術(shù)，可增強雙折射樣品的對比度。它為了解各種有機和無機材料的結(jié)構(gòu)和組成提供了別樣的視角。

常用的偏振光顯微鏡有兩種：線性偏振和圓形偏振。顧名思義，線性偏振光顯微鏡使用線性偏振光照亮樣品。相比之下，圓形偏振光顯微鏡采用圓形偏振光，因此對樣品內(nèi)結(jié)構(gòu)的手性（左右方向）比較敏感。這些技術(shù)用于生物學、材料科學和地質(zhì)學等領(lǐng)域，用于檢查各種材料的微觀結(jié)構(gòu)和特性。

本篇文章詳細探討了這些偏振光技術(shù)，重點介紹了圓形偏振光顯微鏡如何能更好地可視化骨骼組織中的雙折射材料。

骨骼組織的雙折射材料

雙折射是材料的一種特性，當單束入射光線穿過材料時，會分裂成兩條不同的光線。皮膚、角膜、肌腱、韌帶、肌肉組織、軟骨和骨骼，由于它們有組織的各向異性結(jié)構(gòu)（光學特性在所有方向上都不一致），都是會產(chǎn)生雙折射的組織和器官。這種雙折射會影響骨骼組織（如骨骼和軟骨）中的材料與偏振光相互作用的方式。

哺乳動物和鳥類的骨骼是硬質(zhì)材料，主要由膠原蛋白和磷酸鈣組成。骨骼中存在的四種細胞類型是：

成骨細胞
骨細胞
破骨細胞
造骨祖細胞

軟骨與骨骼共同作用，形成所謂的骨骼組織。這種特殊的結(jié)締組織既柔韌又堅硬。三種不同類型的軟骨是：

透明軟骨
纖維軟骨
彈性軟骨

此外，維生素C也是一種雙折射材料，可誘導成骨細胞中骨基質(zhì)基因表達，與減緩固關(guān)節(jié)炎相關(guān)，對骨骼健康至關(guān)重要。

了解線性偏振光顯微鏡和圓形偏振光顯微鏡

要使用偏振光顯微鏡捕捉骨骼、軟骨、維生素C和其他雙折射材料的高質(zhì)量圖像，首先必須了解線性偏振光和圓形偏振光的照明方法。

光源會產(chǎn)生非偏振光，這種光會在所有360度方向上振動。當非偏振光穿過偏光鏡時，會轉(zhuǎn)換成線性偏振光。線性偏振光穿過樣品。如果樣品是各向同性的（所有方向上的光學特性一致），則不會影響偏振光，光將保持相同的偏振狀態(tài)。然而，如果樣品是各向異性的，那么當光通過時，就會改變光線的偏振狀態(tài)。這種偏振變化可使光穿過一個與偏光鏡垂直的檢偏器。

線性偏振的一個缺點是會形成出現(xiàn)在視場中的等旋線，即馬耳他十字圖案（帶有V形臂的十字）的黑帶。當成像樣品具有徑向?qū)ΨQ性時，會導致偏振光圍繞徑向中心分裂而產(chǎn)生無法穿過檢偏鏡的光線，就會發(fā)生這種情況。馬耳他十字會導致強度降低，從而影響圖像的量化或分析用途。

而圓形偏振則沒有這個缺點。圓形偏振還可以使用偏光鏡將普通光轉(zhuǎn)換為在單一平面上振動的光（線性偏振光）。然而，在圓形偏振中，雙折射材料（如四分之一波板）要與偏振光路徑上的偏光鏡成45°角放置。光會發(fā)生相移，即光波穿過材料所用時間的差異。這就產(chǎn)生了具有圓形旋轉(zhuǎn)場的光。當圓形旋轉(zhuǎn)光穿過樣品時，會在所有360度的旋轉(zhuǎn)位置上發(fā)生折射。如果在折射光的路徑上放置一塊與第一塊板成90°的第二塊四分之一波板，這種效應就會抵消。這將再次產(chǎn)生線性偏振光，然后可使其穿過檢偏鏡的透射軸。需要說明的是，兩塊四分之一波板都相對于偏光鏡旋轉(zhuǎn)了45°角，但旋轉(zhuǎn)的方向相反。

圖1. 使用Evident公司的偏振光顯微鏡、SLIDEVIEW VS200研究級玻片掃描儀和MPLFLN40X（0.75 NA）物鏡對維生素C晶體進行成像：a）使用線性偏振光顯微鏡；b）使用圓形偏振光顯微鏡。（a）使用線性偏振，我們可以看到等旋線特征（黑帶）。（b）為同一樣品使用圓形偏振，我們看不到任何偽影。

使用偏振光顯微鏡對骨骼、

軟骨和維生素C進行成像

維生素C，又稱抗壞血酸，是一種手性分子。當偏振光穿過維生素C晶體時，分子的手性會導致光的偏振平面出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。光的干涉會產(chǎn)生一系列顏色，形成美麗的圖像。

圖2. 偏振光顯微鏡下的維生素C圖像：a）使用線性偏振，我們可以看到等旋線特征（馬耳他十字）；b）使用圓形偏振，不會產(chǎn)生馬耳他十字。這里顯示的棕色石頭狀結(jié)構(gòu)是非常厚的晶體。使用VS200研究級玻片掃描儀和MPLAPON50X（0.95 NA）物鏡拍攝的圖像。

圖3. 結(jié)締組織和骨骼的圖像，在偏振光下可觀察到不同方向的膠原纖維。a）使用線性偏振光可視化的結(jié)締組織。b）使用圓形偏振光可視化的結(jié)締組織。c）使用線性偏振光可視化的橫向骨切片。d）使用圓形偏振光可視化的橫向骨切片。橫向排列的膠原纖維呈現(xiàn)亮色，而縱向排列的膠原纖維呈現(xiàn)暗色。介于橫向和縱向之間方向排列的纖維顯示出深淺不一的灰色。使用VS200研究級玻片掃描儀和MPLAPON50X（0.95 NA）物鏡拍攝的圖像。

適于這類應用的產(chǎn)品

SLIDEVIEW VS200研究級全玻片掃描系統(tǒng)可以讓您能夠采集載玻片的高分辨率圖像并進行定量分析，以此實現(xiàn)對載玻片信息的充分利用。

一套系統(tǒng)實現(xiàn)五種觀察方法

VS200全玻片掃描系統(tǒng)可用于明場、熒光、暗場、相襯和偏光（線性偏光/圓偏光）觀察。這一靈活性可以讓您使用各種組合觀察方法觀察僅在特定條件下可見的結(jié)構(gòu)。

可支持標準載玻片以及大尺寸載玻片

使用方便的載玻片托盤可支持26×76毫米（1×3英寸）、 52×76毫米（2×3英寸）、76×102毫米（3×4英寸）和 102×127毫米（4×5英寸）載玻片。該系統(tǒng)可讓您同時管理不同尺寸的載玻片。

高通量

加載器最多可容納35個載玻片托盤，210個26×76毫米（1×3英寸）載玻片。加載器上的機械手移動的是載玻片托盤而非單個載玻片，從而確保您的載玻片保持安全和完整。

保存和調(diào)用采集設(shè)置，以此加快工作速度

對于重復的工作流程，您可以保存、調(diào)用和共享預定義采集設(shè)置項目，以此加快工作速度并可協(xié)助實現(xiàn)標準化操作。這些項目還可在用戶之間共享，從而實現(xiàn)更大的靈活性。

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