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偏振光顯微鏡及其對骨骼組織構成材料的啟示

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，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構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，因此對樣品內結構的手性（左右方向）比較敏感。這些技術用于生物學、材料科學和地質學等領域，用于檢查各種材料的微觀結構和特性。
本篇文章詳細探討了這些偏振光技術，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構（光學特性在所有方向上都不一致），都是會產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基因表達，與減緩固關節(jié)炎相關，對骨骼健康至關重要。


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對稱性時，會導致偏振光圍繞徑向中心分裂而產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。這就產生了具有圓形旋轉場的光。當圓形旋轉光穿過樣品時，會在所有360度的旋轉位置上發(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了45°角，但旋轉的方向相反。
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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)旋轉現(xiàn)象。光的干涉會產生一系列顏色，形成美麗的圖像。
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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，不會產生馬耳他十字。這里顯示的棕色石頭狀結構是非常厚的晶體。使用VS200研究級玻片掃描儀和MPLAPON50X（0.95 NA）物鏡拍攝的圖像。


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圖3. 結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締組織。b）使用圓形偏振光可視化的結締組織。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。


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