实验二 特殊显微镜的使用 - 相差显微镜

实验二 特殊显微镜的使用

实验2.1相差显微镜

一、实验目的

掌握相差显微镜的原理、构造及其使用方法。 二、实验原理

相差显微镜（phase-contrast microscope）是由P. Zernike于1932年发明的，P. Zernike于1953年获诺贝尔物理奖。相差显微镜最大的特点就是可以用于观察未经染色的标本和活细胞。

人们在光学显微镜下观察被检标本时，只有在反射光的波长（颜色）和振幅（亮度）与周围介质有变化时，方能看到被检样品的结构。活细胞近于无色透明，光波通过时，透过或反射光的波长和振幅都不发生改变，所以用普通光学显微镜难以辨清活体的结构。一般对于明暗对比很小的样品，多借助于固定和染色等理化方法，使样品和背景的反射或透射光在波长和振幅上发生变化，即在颜色和亮度上有所差异，才能识别。但有些样品一经染色就会引起变形，染色也可使有生命的样品死亡。我们可以利用相差显微镜来进行观察。相差显微镜利用了光的干涉现象，将人眼不可分辨的相位差变为可分辨的振幅差，因此它是一种应用在染色困难或不能染色的新鲜标本上获得高对比图像的新型显微镜。

相差方法应用于生物学上的主要价值，在于它能对透明的活体进行直接观察，无需采用使细胞致死的固定和染色的方法。染色给活体以有害的影响，甚至失真。由此，才使相差法显得异常重要。

相差是指同一光线经过折射率不同的介质其相位发生变化并产生的差异。相位是指在某一时间上，光的波动所达到的位置。相差决定于光波所通过介质的折射率之差及其厚度，等于折射率与厚度的乘积之差（即光程之差），介质越厚或折射率越大，光波减速也越大。

为了达到相差效应，在相差显微镜的物镜中，装有由光学玻璃制成的相板（phase plate）。在圆形相扳平面上，有一圈与周围（里外）相扳厚度不同的或凸或凹的圆环。相板分两部分：

图1-10 相差显微镜光路图

共轭面（conjugate area）：通常为环状，是通过直射光的部分。其环是凸起的，也可能是凹陷的。

补偿面（complementary area）：共轭面内外两侧部分，是通过衍射光的部分。在相板的共轭面或补偿面上，涂有改变光波相位或吸收光线的物质。当光线通过时，使光波的相位或

振幅改变，从而达到不同的目的与观察效果。利用相板把光波相位推迟，振幅改变。相板的作用，除推迟直射光和衍射光的相位之外有吸收光，从而使亮度改变的作用。物镜的后焦点位于透镜中间而相板位于物镜的后焦面上，所以相板安装在透镜中间。

相差显微镜的光路图如图1-12所示，光线从聚光镜下的环状光阑的圆形缝隙射入直射光，照射到被检样品上，产生直射光和眼射光两种光波。衍射光的振幅较小，相位滞后。在物镜的后焦面上，设有相板，直射光通过共轭面，衍射光通过补偿面，并相互干涉造像。样品的影像由直射光和衍射光经干涉后的合成波造成；背景仅由直射光形成。由于直射光和衍射光两种光波的相位差异不同造成不同的反差效果，或明反差或暗反差不等视所用物镜的相板类别而定。成像光束由物镜射入目镜，在目镜的视场光阑处再次放大。 三、实验装置

相差显微镜不同于普通光学显微镜，在装置上有四种必不可缺的部件：相差物镜、具有

环状光阑的转盘聚光器、合轴调中望远镜和绿色的滤色镜。 1．相差物镜（phase contrast objective）

相差物镜是显微镜特有的重要装置。在相差物镜内的后焦面上装有种类不同的相板。相板由于前述的作用，造成视场中被检样品影像与背景不同的明暗反差，各具不同的效果。因物镜内相板种类或构成的不同，物镜在明暗反差上可区分为两大类，即明反差（B）或负反差（N）物镜和暗反差（D）或正反差（P）物镜。物镜的反差类别，用英文字母B或N和D或P标志在物镜外壳上，并兼有高H（High）、中M（Medium）和低L（Low）等三种不同的 反差。有的相差物镜用ph字样标示。同一反差类别的物镜，依放大率的不同，又可分为10×、20×、40×和100×数种，因此相差物镜种类颇多，一套可多达20余种。相差物镜多为消色差物镜或平场消色差物镜（PL）。 2．转盘聚光器（turret condenser）

位于镜台之下，普通聚光器的所在位置上由聚光镜和环状光阑（annular diaphragm）构成。环状光阑位于聚光镜之下，是一种特殊的光阑装置，由大小不同的环状通光孔构成，不同规格的通光孔——环状光阑装配在一个可旋转的转盘上，按需要调转使用（图1-13）。环状光阑的环宽与直径各不相同，与不同放大率的相差物镜内的相板相匹配，不可滥用。转盘前端朝向便用者一面有标示窗（孔），转盘上的不同部位标有0、1、2、3和 4或 0、10、20、40、和100字样，通过标示窗显现。“0”表示非相差的明视场的普通光阑。1或10、2或20、3或40和4或100，表示与相应放大率的相差物镜相匹配的相差物镜相匹配的不同规格的环状光阑的标志。通过手动转入标示窗内之数字，表示该数字所代表的环状光阑已进入光路。

3．合轴调中望远镜（centering telescope）

合轴调中望远镜简称CT，又名合轴调中目镜。它是眼透镜，可行升降调节，具有较长焦距的一种望远目镜。镜筒较长，其直径与观察目镜相同。它的功用仅作为环状光阑的环孔（亮环）与相差物镜相扳的共轭面环孔（暗环）的调中合轴与调焦之用。相差显微镜使用时，转盘聚光器的环状光阑与相差目镜必须匹配，且环状光阑的环孔与相差物镜相扳共轭面的环

图1-11 转盘聚光器构造图

孔在光路中要准确合轴，并完全吻合或重叠以保证直射光和衍射光各行其路，使成像光线的相位差转变为可见的振幅差。但是，镜体的光路中前述两环的影像较小，一般目镜难以辨清，不能进行调焦与合轴的操作，非借助合轴调中望远镜不可。 4．绿色滤色镜（green filter）

相差物镜的种类，从色差消除情况来分，多属消色差物镜（achromatic objective）或ＰＬ物镜。消色差物镜的最佳清晰范围的光谱区为510~630nm。欲提高相差显微镜的性能最好以波长范围小的单色光照明，即接物镜最佳清晰范围的波长的光线进行照明。所以，使用相差物镜时，在光路上加用透射光线波长为500~600nm左右的绿色滤色镜，使照明光线中的红光和蓝光被吸收，只透过绿光，可提高物镜的分辨能力。该滤色镜有吸热的作用，以利活体观察。 四、实验步骤

相差显微镜的使用，较之普通显微镜要复杂些，但亦易于掌握，按下列过程进行操作。 1．相差装置的安装

如前所述，相差显微镜区别于普通光学显微镜的装置主要有相差物镜、转盘聚光器、合轴调中望远镜和绿色滤色镜四种部件。使用时将这些部件调换安装在同型号的普通光学显微镜上，即成为相差显微镜。 （1）相差物镜的调换安装

从物镜转换器上拆下普通物镜，旋入相差物镜，与普通目镜配套使用。 （2）转盘聚光器的调换安装

旋转聚光器升降螺旋，把普通明视场聚光器至最低位，旋松固紧螺丝，卸下聚光器。把转盘聚光器安放到相应位置上，旋紧固紧螺丝，转动聚光器升降螺旋，使聚光器升至最高位置。转盘聚光器的标示孔，朝向操作者。此时，转盘聚光器上面的聚光镜部分，进入光路；下面的环状光阑转盘，可视需要转动使用，把与物镜匹配的环孔旋入光路，使之处于转盘聚光镜下。

（3）把绿色滤色镜放入镜座的滤色镜架上。 2．聚光器调中

转盘聚光器调换安装后，要进行合轴调中，使聚光器的光轴与显微镜的主光轴合一。其步骤如下；

（1）把转盘聚光器的环状光阑调至“O”位，明视场照明用的普通可变光阑进入光路。 （2）旋转聚光器升降螺旋，聚光器升至最高位。 （3）接通照明光源，使视场明亮。

（4）把被检样品放到载物台上，用低倍（4×）物镜聚焦。

（5）缩小镜座上的视场光阑开孔，至最小。

（6）从目镜观察，在暗视场中可见一缩小的、明亮的、多角形的视场光阑图像。 （7）转动转盘聚光器的两个调中杆，推动聚光器，把视场中的明亮的多角形的视场光阑图像，调至视场中央。

（8）开放视场光阑至视场同大，视两者周边是否完全重合；否则，复用调中螺杆，使聚光器精确调中。

3．相板圆环与环状光阑圆环的合轴调中

相差物镜的后焦面装有相板。按物镜放大率与反差效果的不同，相板圆环（共轭面）的大小与结构亦不同。转盘聚光器的环状光阑为一系列的透光的，不同大小的明亮环孔，与不同放大率的物镜相应。使用时严格匹配，当物镜更换时，环状光阑亦作相应的更换或调整。 在视场中观察所见，环状光阑为一明亮的圆环，而相板的圆环为一暗环。互相匹配的明环与暗环大小一致。在使用时两者要合轴，互相重叠。两环的重叠．须通过合轴调节方能取得。其方法如下：

（1）相差物镜与环状光阑的匹配：正确地匹配取决于所用物镜放大率。例如，当使用40×相差物镜时，环状光阑转向ph3或40位，使相应地环状光阑进入光路。

（2）把CT放入目镜筒：从目镜简取出一个目镜，换入调中合轴望远镜（CT）。CT 为一眼透镜，也是可行升降调节的望远目镜，专为观察视场中明环与暗环图像之用。因为用一般目镜着不见两环的清晰图像。CT在使用前眼透镜应处于最低位．即CT为最短小的状态。 （3）明环与暗环的聚焦：一手固定位于目镜筒中的CT镜筒，使其场透镜位置不能上移，另一手逆时针转动CT上部可调的眼透镜部分。转动的同时，通过CT向现场中观察，即边旋转边观察。初始，两环可能为模糊的图像，继续转动CT目镜可调部分至清晰地窥见明环与暗环止。

（4）明环与暗环的调中重叠：相扳的暗环是固定不动的，处于光路之中，暗环的中心，即显微镜光轴的中心。环状光阑的亮环可调节移动。转盘聚光器环状光阑的位置，因聚光器的可调，其中心位置往往偏离光轴轴心，需调整，使其归中。环状光阑的调中装置或部件，因厂家或型号的不同而有别。如OLYMPUS BH－PC型相差显微镜，环状光阑调中装置为位于转盘聚光器两侧的两个伸缩自如的调中螺杆，用以操纵改换环状光阑的方位，达到调中；而Nikon FIVOPHOT型显微镜的相差装置，其环状光阑的调中部件为位于转盘聚光器表面，可向任一方向滑动的环状钮。调中时，手捏调中装置，移动明环，使之与暗环合一。在两环调中过程，始终在通过CT的观察下进行。在调节过程中，如亮环比暗环小，并位于暗环内侧时，应降低聚光器位置，使亮环放大。若亮环大于暗环时，应提升聚光器，使亮环缩小，如聚光器已升至最顶点还不能完全重合可能是载玻片过厚之故。

（5）回装观察目镜：待相差物镜的暗环与环状光阑的亮环调中、重叠后，从目镜筒中取出CT，放回观察用的接目镜，以便镜检观察。 4．相差物镜的选择

相差物镜有不同倍率、不同反差类别和反差程度之分。相差物镜的反差类别和反差程度以及放大倍数，皆用英文字母和数字标示在物镜壳外。

相差镜检时，依被检样品的种类、结构和反差程度的不同，而确定应选用相差物镜的种类。这里不存在死硬的规定，可依观察者的习惯和爱好而变。一般来说，相差物镜的应用范围如表1-3。

表1-3 相差物镜应用范围表

字母 P N H L M

反差 正 负 高 低 中

应 用

观察细胞或细胞核的内部结构 观察微小的物体如孢子、鞭毛和活的样品等

当样品反差较低时 当样品反差较高时 当样品反差为中等时

就某一具体被检物体来说，适于明反差或适于暗反差难以定论。通常是用哪一种相差物镜都能得到清晰的像，只是有的物镜更好些而已，因此可任意选择。有的样品只适于某一种相差物镜。暗反差物镜对习惯于明视场镜检者很适宜。当与染色标本进行比较或进行测定以及加强半透明物体的反差时，多用暗反差；而计算数量或观察物体运动以及研究极小的样品时，多使用明反差。

总之，在相差镜检时，于诸多的相差物镜中选一物镜，绝非易事。除参考上表所列应用范围外，最佳方法是通过各种类型的相差物镜进行实际镜检测定，找出最宜相差物镜。 五、注意事项

1．切片不宜过厚，一般以不超过20μm为宜，载玻片需均匀一致，厚度在1mm左右，盖玻片也以0.17~0.18mm厚度为宜。

2．要确实做到中心调节，使环状光栏的亮环与相板的黑环完全重合，否则相位差效果将显著的下降，不能充分发挥相差显微镜的性能。

3．利用滤色滤光片（IF550）进行镜检。 六、作业

1．概述环状光阑的亮环与相板的暗环、合轴、调焦法。

2．用明反差与暗反差物镜分别观察同一物体，请阐述其物像的区别。 七、思考题

1．相差显微镜有哪些特有的附件？其构造如何？ 2．明反差与暗反差相板的构成及其原理？ 3．相差显微镜的光路图？

4．相差显微镜镜检时，为什么要用绿色滤色镜？

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