偏光顯微鏡原理和應用的簡單介紹

2021-02-24 清華細胞影像平臺

一、基本概念解釋

自然光：普通光源（如日光、燭光、電燈）所發出的光，它是大量原子、分子發光的總和，其振動面不只限於一個固定方向而是在各個方向上分布的。

偏振光：自然光在穿過偏振片後，經過反射、折射、吸收後，其振動波被限制在一個方向上，其它方向振動的電磁波被大大削弱或消除。這種在某個確定方向上振動的光稱為偏振光（見下圖2）。

圖1.偏振光的產生[1]

 

3.起偏鏡和檢偏鏡：通過一塊偏振片（起偏鏡）後的自然光雖然變成了偏振光，但由於人的眼睛沒有辨別偏振光的能力，故無法察覺。所以還需要第二塊偏振片（檢偏鏡）來幫助檢測（見下圖3，P為起偏鏡，A為檢偏鏡）。起偏鏡將產生偏振光，用於照亮樣品，而檢偏鏡則將受測光線限定為折射光。

圖2.起偏鏡(P)和檢偏鏡(A)[2]

 

4. 雙折射現象: 一束入射光射入各向異性的晶體時，產生兩束折射光（o光和e光）的現象。o光又叫做尋常光（ordinary ray），服從折射定律；e光叫做非尋常光（extraordinary ray），不服從折射定律。實驗證明：o光和e光都是偏振光。

圖3.雙折射現象[3]

 

二、偏光顯微鏡的原理

馬呂斯定律：光線經過起偏鏡後成為偏振光，設其強度為Io。經過檢偏鏡後，透射光的強度I=Iocos2θ，其中θ為入射光的偏振方向與檢偏鏡的透光軸的夾角。由此可知，當起偏器相對檢偏器呈 90°，透射光的強度最小，這稱為「暗位」。

原理：偏光顯微鏡的兩個偏振濾光片互為90°，以獲得所謂的「暗位」，此時視野是全黑的，如果樣品在光學上表現為各向同性（單折射體），則無論怎樣旋轉載物臺，視場仍是黑暗，這是因為起偏鏡所形成的線偏振光的振動方向不發生變化，根據馬呂斯定律，透射光的強度為0。如果樣品具有雙折射特性，則視野會變亮，這是由於從起偏鏡射出的線偏振光進入雙折射體後，產生振動方向不同的兩種直線偏振光（o光和e光），當這兩種光通過檢偏鏡時，由於e光並不服從折射定律，其與檢偏鏡偏振方向不是90°，所以可透過檢偏鏡，視野上就可以看到明亮的象。

 

圖4. 偏光顯微鏡的原理[4]

 

 

三、偏光顯微鏡的應用

生物領域：在生物體中，不同的纖維蛋白結構顯示出明顯的各向異性，使用偏光顯微鏡可得到這些纖維中分子排列的詳細情況。如膠原蛋白、細胞分裂時的紡綞絲等。

各種生物和非生物材料鑑定：如澱粉性質鑑定、藥品成分鑑定、液晶、DNA晶體等。

地礦分析：如種礦物及結晶體的分析。

醫學分析：如結石、尿酸晶體檢測、關節炎等。

材料顯微組織的各項同性和異性等。

 

圖片來源地址

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/09/%E5%81%8F%E6%8C%AF%E7%89%87.png/440px-%E5%81%8F%E6%8C%AF%E7%89%87.png

www.olympusamerica.com/files/seg_bio/seg_polar_basic_theory.pdf

http://nhjy.hzau.edu.cn/kech/dxwl/study/phyclass/lightbodong/index.html#

http://www.leica-microsystems.com/fileadmin/_processed_/csm_Figure_1_01_9645aab2ee.png

 

#可實現生物樣品偏光檢測的儀器#

全自動數字玻片掃描系統 Zeiss Axio Scan. Z1物鏡：偏光專用物鏡20x/NA 0.45。

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