激光扫描共聚焦显微镜技术在材料学研究中的应用_刘东武

材料

生命科学仪器　　２００６　第４卷／　１０月刊

综述

激光扫描共聚焦显微镜技术在材料学研究中的应用

刘东武１，　＊，牟洪善２

（１．　山东理工大学　分析测试中心，山东　淄博２５５０４９；　　　２．　烟台师范学院　生命科学学院，山东　烟台２６４０２５）摘要　　　　激光扫描共聚焦显微镜技术（ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｃｏｎｆｏｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，　ＬＳＣＭ）有效地排除了非焦平面信息，提高了分辨率和对比度，使图像更为精确清晰，与计算机及相应的软件技术组合，ＬＳＣＭ实现了连续光学切片，广泛应用于生物三维结构重组及动态分析。ＬＳＣＭ是一种无损深层形态结构分析的重要方法，可以对材料进行深层形貌观察；本文主要综述了ＬＳＣＭ的成像原理以及ＬＳＣＭ在高分子材料和生物工程材料方面的应用。关键词　　　　激光扫描共聚焦显微镜，材料，应用中图分类号　　　　ＴＨ　７４２．６４

激光扫描共聚焦显微镜技术（ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｃｏｎｆｏ－ｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，　ＬＳＣＭ）是８０年代中期发展起来的一种无损深层形态结构分析的重要方法，它的最大优点在于能对材料进行深层（可达１００　μｍ）形貌观察。为了获得反差，需对样品的某一组分进行荧光标记，样品制备简单；借助计算机的帮助，对样品表面至各深度层面的信息进行叠加重组，可以得到三维图像，快速、无损。由于这些优点，ＬＳＣＭ在材料学、地质学、医学和生物学等研究领域中都有广泛的应用［１］，本文主要综述了ＬＳＣＭ在材料学方面的研究进展。

真正的三维图像重建。

１ＬＳＣＭ的成像原理

ＬＳＣＭ在普通光学显微镜的基础上对成像原理作了改进，加装了激光扫描装置，同时利用计算机图像处理技术，把光学成像分辨率提高了３０～４０％，ＬＳＣＭ是光学显微镜发展史上的重大突破。ＬＳＣＭ的主要原理是使激光扫描束通过光栅针孔形成点光源，在荧光标记标本的焦平面上逐点扫描，采集点的光信号通过探测针孔到达光电倍增管（ＰＭＴ），经过信号处理，在计算机监视屏上形成图像。由于激光光源的光栅针孔和探测针孔对物镜焦平面是共轭的，焦平面上的点同时聚焦于光栅针孔和探测针孔，进行点扫描时，扫描点以外的点不会成像，经逐点扫描后才形成整个标本的光学切片（Ｏｐｔｉｃ　ｓｅｃｔｉｏｎ）图像（见图１）。针孔只接受聚焦衍射光斑处荧光信息，使ＬＳＣＭ能够对样品内部深层次进行观察、鉴定，并进一步完成光学切片，通过对连续层次上的共聚焦图像的计算机处理，可以实现

图１　　　　ＬＳＣＭ　光学系统及原理图示

＊　作者简介：刘东武（１９７４－），男，汉族，山东单县人，主要从事分析测试工作。

通讯作者，山东理工大学分析测试中心，Ｅｍａｉｌ：ｌｉｕｄｏｎｇｗｕ８８８＠１２６．ｃｏｍ

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材料

综述

生命科学仪器　　２００６　第４卷／　１０月刊

２ＬＳＣＭ在高分子材料方面的应用

透射电子显微镜（ＴＥＭ）和扫描电子显微镜（ＳＥＭ）是观察乳液成膜形态最常用的方法，近年来，已有从分子水平上研究乳液成膜过程的报道，主要是小角中子散射［２］　（ｓｍａｌｌ－ａｎｇｌｅ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＳＡＮＳ）、直接无辐射能量转移分析［３］　（ｄｉｒｅｃｔ　ｎｏｎｒａｄｉａｔｉｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｒａｎｓｆｅｒ，ＤＥＴ）和原子力显微镜［４］　（ａｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＡＦＭ）等，但这些分析方法仅限于乳胶膜表面区域结构的观察或者给出膜结构的总结果，而且ＳＥＭ、ＴＥＭ等在样品制备方面比较复杂，有时还会引起对样品的破坏。ＡＦＭ的最大扫描面积局限于１００　μｍ×１００　μｍ，观察材料的表面高度低于６　μｍ。

由于光学系统的特殊性，ＬＳＣＭ可用于研究乳胶膜表层和本体内部的形态结构，获取不同深度层面的信息，这无论在理论上还是在实际应用中都有十分重要的意义。近年来，这一技术已开始用于高分子多组分体系的研究［５－８］。聚合物多组份体系的研究已成为高分子材料科学的重要领域，而其材料性能又与体系中各组份的相容性及相态结构密切相关。两种或两种以上聚合物相混，除极少数可以完全相容外，大多数聚合物相互间并不相容，往往形成多相体系，如从三维图像观察，不同高分子组份也可形成连续的及不连续的相态结构，而在这些相态中，又可发现各种织态结构，如球状结构、纤维状结构、或层状结构等。这些结构的形成与分布决定于高分子、体系的组成及共混过程（如剪切力、剪切速度、温度），由于高分子的界面与表面特性，多组份聚合物的织态结构从固体表面到本体内部常常是不相同的，这些结构形态对材料的性能有重要影响［９］。朱世雄等以无乳化剂乳液聚合法合成聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）和聚苯乙烯（ＰＳｔ）微球，以分散聚合法合成荧光标记的ＰＭＭＡ微球（ＦＰＭＭＡ），采用ＬＳＣＭ研究了ＦＰＭＭＡ／ＰＭＭＡ和ＦＰＭＭＡ／ＰＳｔ两种乳胶膜体系（重量比均为１：９９）的表面及深层形态结构，从不同深度层面的ＬＳＣＭ图像看出，从表面到本体内部，ＰＭＭＡ在ＰＳｔ母相中明显聚集，而且ＰＭＭＡ在膜的纵向分布为在表面及接近基底的层面较少，主要分布于中间层面［１０］。

此外，ＬＳＣＭ可用来观察样品表面亚微米程度（０．１２μｍ）的三维形态和像貌，也可以测量多种微小的尺寸，诸如体积、面积、晶粒、膜厚、深度、长宽、线粗糙度、面粗糙度等。赵祺等分别采用ＳＥＭ和ＬＳＣＭ研究了硅橡胶／ＥＰＤＭ泡沫合金的结构均匀性和泡孔结构，并进行强伸性能、压缩性能和阻尼减震性能的研１２

究，直接用ＬＳＣＭ的配套软件测量泡孔尺寸及孔密度，并记录图片［１１］，取得较好的效果。

３ＬＳＣＭ在生物工程材料方面的应用

ＬＳＣＭ可作为研究微球结构的工具，可使焦平面

外的散射光减到最低，提高成像质量，并可通过不同的荧光标记物以识别微球表面及内部结构［１２，１３］，而不需事先破坏样品即可获得被包裹药物的定位和成球材料所构成微球的结构资料。近年来，国外采用ＬＳＣＭ技术评价和描述微球，观察被包封相的分布、沉积和微球表面及内部聚合物的结构［１４，１５］，研究包封药物的释放动力学［１６］，用含荧光素的水介质测定微球的膨胀性［１７，１８］等。谭丰苹等用复凝聚法制备微球，牛血清白蛋白（ＢＳＡ）为模型蛋白药物和聚合物（明胶与阿拉伯胶）为成球材料，在制备微球前均共价标记了荧光物；应用ＬＳＣＭ将微球在不同荧光通道下呈像，并将微球切割成一系列平行切面分别成像，对微球进行三维重建和图像分析。王志宇等采用两亲共聚物ＰＥＯ－ＰＰＯ－ＰＥＯ作为表面活性剂制备得到了较窄粒径分布范围的聚乳酸微球，然后将这些微球按不同分布密度结合到聚乳酸基材表面，制备得到不同表面微球分布密度的微球改性聚乳酸生物材料。ＬＳＣＭ、ＳＥＭ对改性表面的稳定性和表面形貌的测试结果显示，该方法成功地获得了稳定的、具有不同表面微球分布密度的微球改性聚乳酸表面；软骨细胞相容性测试结果表明不同表面微球分布密度的微球改性聚乳酸膜片具有不同的细胞相容性，表面拓扑结构能在较大程度上对材料表面的细胞相容性产生影响［１９］。

研究牙本质粘结界面的纳米渗漏，如采用扫描电镜（ＳＥＭ）需要干燥 …… 此处隐藏：6826字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……