扫描力显微镜

激光扫描共聚焦显微镜的选型评估篇2

激光扫描共聚焦显微镜(Laser scanning confocal microscopy,LSCM)是上世纪80年代发展起来的高科技产品。它通过在荧光显微镜上加装激光扫描及共轭装置,用紫外或可见光激发荧光探针,并利用计算机进行图像处理,从而得到细胞或组织内部微细结构,是细胞生物学、生物化学、药理学、生理学、遗传学、胚胎学、神经生物学、微生物学和寄生虫学等多学科强有力的研究工具。目前我国尚无同类产品生产,全部靠进口。根据品牌及配置的不同,价格在人民币150万元～500万元之间,属昂贵研究设备,所以在引进激光扫描共聚焦显微镜前进行充分的选型评估是非常重要的。

1 市场情况分析

进行医疗设备选型评估的第一步是了解当前市场的供需信息,它主要包括两个部分:一是产品的历史及现状,二是不同厂家的市场占有率。

1.1 激光扫描共聚焦显微镜的历史发展及现状

全球第一台商品化激光扫描共聚焦显微镜是Bio-Rad公司于1984年开发成功的SOM-100型,扫描方式为台阶式扫描。两年后,Bio-Rad公司推出了光束扫描的MAC-500型激光扫描共聚焦显微镜,宣告了显微光学新时代的到来。随后,Meridan、蔡司(Zeiss)和徕卡(Leica)公司也分别推出了自己的产品。1990年我国引进了五台,到1997年已有三十多台,大部份是Bio-Rad公司的MRC系列及Meridan公司的ACAS系列。

进入2000年以后,激光扫描共聚焦显微镜市场发生了巨大的变化,日本的奥林巴斯(Olympus)和尼康(Nikon)也推出了自己的激光扫描共聚焦显微镜。由于激光扫描共聚焦显微镜价格昂贵,主要面对高端研究用户,市场相对狭小,新公司的出现使市场竞争日趋激烈。先是2002年Meridian公司为英国King公司收购,退出了这一市场。2004年5月,德国Zeiss公司收购Bio-Rad公司细胞科学部的建议获英国平等竞争委员的批准,Bio-Rad公司在激光共聚焦方面的一系列技术专利被Zeiss公司纳入囊中,Bio-Rad公司也退出了。至此,激光扫描共聚焦显微镜市场形成了现在的由Zeiss、Leica、Olympus和Nikon“四强顶立”新态势。

1.2 市场情况

激光扫描共聚焦显微镜系统作为一种复杂的高端研究仪器,其昂贵的价格决定了其市场相对狭小。具不完全统计,至今国内引进的总数也就250台左右。而参与的厂商有徕卡(Leica)、蔡司(Zeiss)、奥林巴斯(OLympus)、尼康(Nikon)四家之多,因此市场竞争是非常激烈的。

2 激光扫描共聚焦显微镜的构成及成像原理

充分了解设备的构成及运作原理是设备采购的重要环节,它对采购方向的确定往往起决定性的作用。

2.1 激光扫描共聚焦显微镜的构成

传统的光学显微镜使用的是场光源,标本上每一点的图像都会受到邻近点的衍射或散射光的干扰。而激光扫描共聚焦显微镜则在荧光显微镜成像基础上利用激光作为光源,采用共轭聚焦装置,并利用计算机对所观察分析对象进行数字图像处理的一套观察和分析系统。主要组成包括:显微镜、激光光源、扫描装置、检测器、计算机系统(包括数据采集,处理,转换,应用软件)、图像输出设备、光学装置和共聚焦系统(见图1)。

⑴激光器随着激光技术的飞速发展,可以根据研究需要选择不同的激光器。如:R-HeNe(633nm)、ArUV(351、364nm)、HeCd(442nm)、AR(458、477、488、514nm)、ArKr(488、568、647nm)、Kr(568nm)、G-HeNe(543nm)、Diode(405nm)等。

⑵照明针孔照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的。激光经照明针孔形成点光源,相干性好,频率、振动方向、相位高度一致。

⑶光束分离器从样品上反射和散射的光与荧光束混合在一起,所以需要用光束分离器将激发和释放光束分开。

⑷物镜选大数值孔径平场复消色差物镜为好,有利于荧光的采集以获得更清晰的成像。

⑸焦平面激光点光源照射标本,在焦平面处聚焦,激发荧光标记的样本发射荧光,形成焦点光斑。该光斑经过物镜、光束分离器等一系列装置的处理,分别在照明针孔及探测器针孔两处聚焦,共聚焦的含义由此而来。

⑹探测器针孔起到空间滤波器的作用。最大限度地阻碍非聚焦平面散射光和聚焦平面上非焦点斑以外的散射光,以保证探测器针孔所接受到的荧光信号全部来自于样品光斑焦点位置,因此样品上衍射聚集光斑和探测器针孔成像光斑包含相同信息。

⑺探测器用光灵敏度极高、响应速度极快的电倍增管(PMT)检测激发荧光,转变为电信号传输至计算机,从而得到细胞或组织内部微细结构的荧光图像。

2.2 激光共聚焦显微镜的工作原理

采用激光照射标本,在焦平面上形成一个轮廓分明的小光点,该点被照射后发出的荧光被物镜收集,并沿原照射光路回送到由双向色镜构成的分光器。分光器将荧光直接送到探测器。光源和探测器前方都各有一个针孔,分别称为照明针孔和探测针孔,相对于焦平面上的光点,两者是共轭的,即光点通过一系列的透镜,最终可同时聚焦于照明针孔和探测针孔。这样,来自焦平面的光,可以会聚在探测孔范围之内,而来自焦平面上方或下方的散射光都被挡在探测孔之外而不能成像。以激光逐点扫描样品,探测针孔后的光电倍增管也逐点获得对应光点的共聚焦图像,调焦深度不一样时,就可以获得样品不同深度层次的图像,这些图像信息都储于计算机内,通过计算机分析和模拟,就能显示细胞样品的立体结构。

3 不同品牌产品的介绍

3.1 尼康

尼康的激光扫描共聚焦显微镜系统的激光共聚焦部份叫C1si,光学部份用TE2000系列显微镜,由于其激光扫描共聚焦显微镜进入中国较迟,目前的市场占有率较低。其特点是:采用32个光电倍增管的光谱检测器,可全部或部分同时工作;光栅效率增强技术,使接收信号强度提高;双积分器信号处理技术,信号采集时损失少。

3.2 奥林巴斯

奥林巴斯的新产品是FV1000系列。特点是:应用同步双扫系统-SIMScanner,当一束激光对样品进行刺激的同时,另一束激光同时采集到高分辨率的成像,实现光刺激和观察同步进行。应用高效离子沉积镀膜技术的滤光片,增加了系统的灵敏度,使共聚焦系统能够观察极弱的激光所激发出的荧光,从而把对活细胞的损伤减至最小。

3.3 徕卡

徕卡新产品为TCS-SP5型。特点是:内置5组Leica独家专利可程序调控分光光谱检测系统,每一组的光谱范围广达400～850 nm间(波长分辨率2 nm)。因为,光通过滤镜的数目减少,其光学穿透有效率更高,影像更为鲜明,解析更高。棱镜分光的专利设计保证了高信噪比的优势,光程最短,中间滤片不再需要,光能透过率达88%,棱镜的光能损失只有3%,总光能损失只有10%。非常好的光传导性可以检测到更微弱的荧光,避免了其他公司为提高灵敏度而加大激光激发强度进而导致样本的荧光淬灭。

3.4 蔡司

蔡司在共聚焦显微镜方面有一系列的产品:LSM 510META DuoScan型是通用型激光扫描共聚焦显微镜,其特点是:采用X和Y轴独立的双镜,进行完全线性的扫描,可定义多至99个任意大小和任意形状区域,区域精确到一个像素;每个荧光通道均有其独立可调的针孔,在多重标记检测过程中,特别是在一些三维扫描时,保证每个通道扫描光切平面和光切厚度的一致性;高度自动化的“FIND”自动预扫描功能,避免了频繁重新设置扫描参数,减少了样品不必要的激光照射时间而无谓淬灭。

LSM 5 LIVE DuoScan型是高速激光扫描共聚焦显微镜,它被称为世界上最快的显微镜,只需10s就能截取1000张分辨率为512×512像素的图像。扫描速度:最快可达120幅/s(512×512像素,12位,双通道)及1010幅/s(512×50像素,12位,双通道),线扫描速度60,000线/s。

LSM 5 DUO型是高速高分辨率激光扫描共聚焦显微镜,是将LSM 510 META DuoScan和LSM 5 LIVE DuoScan主要模块的组合。

2008年蔡司推出新产品:LSM 710系列,提出PTC激光概念,激光通过光纤接至扫描头,配置灵活、免维护,同时确保了观察的精确性和可重复性。

4 选型评估的具体步骤

对激光扫描共聚焦显微镜进行具体选型评估的步骤如下:

4.1 举行产品说明会

激光扫描共聚焦显微镜技术复杂,科技含量高,不同公司的产品在技术细节、操作方法、成像方式等方面是有很大差异的,本着“优中选优”的原则,召集四家公司的产品应用专家,进行1～2次产品说明会是非常重要的。在说明会上,供方可通过讲座介绍自己的产品,需方可对自己感兴趣的焦点提出针对性的问题,通过互动方式来进行答疑解惑,达到“货比三家”的目的。

4.2 外出参观,现场操作,获取更多一手信息

目前,我国引进的激光扫描共聚焦显微镜约有二百多台,各种品牌、各种型号均有在中国落户,它们大部分分布在国内的科研院校中。而国内许多科研院校的实验室是对外开放的,对于激光扫描共聚焦显微镜,只要支付几百元的费用就可租用1～2h。因此,我们可积极走出去,制作统一的标本,分别到不同品牌的仪器上进行测试,获取更多一手信息,为今后商务谈判或招标技术参数的确定打下坚实的基础。

4.3 选择适合自己的产品

激光扫描共聚焦显微镜的选型主要应从两个方面进行考虑:

4.3.1 根据学科研究的需要来进行选型评估。

激光扫描共聚焦显微镜各种选配件非常多,而且针对不同的研究方向,一些厂家还配有特定的软件。由于各类选配件及软件都是要另外付费,且价格不菲,因此在选型时应格外严谨。比如:研究的主方向是“药物对活细胞的作用及动力学”,则选型时除考虑激光扫描共聚焦显微镜要有较高的“线扫描速度”外,还要考虑增配微型CO2培养系统。此外,选型时还应根据研究的方向,考虑空间复消色差水平的要求、温度稳定性的要求、光谱分辨率的要求等多个方面。

4.3.2 根据经济能力,即科研资金的多少来考虑。

激光扫描共聚焦显微镜不同牌品、不同型号之间的价格相差悬殊。即便是同牌品、同型号的仪器,价格也会因选配件的不同而有极大的不同。就价格而言,Zeiss最贵,Leica次之,而OLympus与Nikon的价格要较以上两家低很多。

5 总结

我们认为,“适合自己的,才是最好的”,设备的性能再好,搭配不好,得无所用,也是浪费。因此,激光扫描共聚焦显微镜选型最好根据研究的需要和经济能力,综合权衡利弊,再做选型决定。

生命科学、医学和药学研究的进展,很大程度决定于研究者是否拥有最先进的工具。激光扫描共聚焦显微镜优异的高分辩率和高灵敏度很自然的就成为整个细胞生物学领域科研工作者梦寐以求工作利器。随着我国国力提升,科研经费的增加,激光扫描共聚焦显微镜这种极昂贵的研究设备正以前所未有的速度进入我国,把好选型关,使有限的资金发挥最大的作用是每个采购者的责任所在。

参考文献

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[5]魏华刚,等.共聚焦显微内窥镜的性能特点及临床应用[J].医疗设备信息,2007(10):54-55.

扫描力显微镜篇3

随着工业技术高速发展,无损检测在提高产品质量、降低生产成本、和延长产品使用寿命等方面起到越来越重要的作用。目前,在检测材料应用上主要有X射线成像[1]、红外热波成像[2]、超声波检测[3]、激光全息[4]、微波等无损检测技术。由于微波频带宽、方向性好、贯穿介电材料能力强,微波检测技术可以进行最有效的内部隐藏结构无损透视探测,使缺陷区域的大小和范围得以准确测定,同时克服了一般检测方法的不足,如超声波在复合材料中衰减大,难以穿透,较难检验其内部缺陷;X 射线法对平面型缺陷的射线能量变化小,底片对比度低的困难[5]。此外,微波不能穿透金属和导电性能较好的复合材料,还可用来检测金属结构、表面形貌等。特别地,近年来微波扫描近场显微技术[6]的发展,使得局域结构的微波成像探测成为可能。

由于微波隐失场激发和检测具有背景干扰小、信噪比高的优点,近年来国内外一些研究课题组分别研究实现了多种微波近场探头设计产生微波局域隐失场的方法,包括采用同轴线[7]、开槽波导[8]和微带线[9],以及本文所采用的电容加载同轴谐振腔结构[10]的微波近场扫描显微镜[11,12,13]。结合S参量测量技术,本文获得了多谐振频点S21幅值和相位的扫描测量数据,得到物体内部金属隐藏结构的清晰图像,实现了光学显微镜所不能实现的不透明物体内部探测问题,空间分辨率突破衍射极限,可达0.01λ的超分辨。为实现产品内部无损检测和质量检验,进一步探测介电材料表面光洁度、内部精细结构及不均匀性等提供了重要研究基础。

1 SEMM结构和工作原理

本文研究的SEMM系统核心探测部件,采用探针和电容加载同轴谐振腔设计结构,在显微镜整体系统[14]中起“局域光源”和“放大系统”的关键性作用。图1为SEMM核心探测部件及系统整体构造示意图。

如图2所示,电容加载同轴谐振腔除终端缝隙外,腔内驻波为TEM或准TEM模式,电磁场结构稳定,无色散,工作频带宽。SEMM一耦合环为输入装置,激励谐振腔的振荡模式,另一耦合环为输出装置,有外界样品微扰时感应腔内电磁场变化。谐振腔内导体底端锥形的设计,目的是为了提高探针尖隐失场电场强度。

探针的作用是随腔内电磁场变化针尖产生激励电场,激励样品表面产生包含样品精细结构信息的局域隐失场。隐失场的强度随着离物体距离的增大而迅速衰减。探针再将隐失场耦合到远场传播,通过探测谐振频点S21的变化,可重构探测样品的空间分布图像。SEMM空间分辨率与探针针尖的大小相比拟。

2 理论研究与仿真分析

2.1 SEMM谐振条件分析

如图3所示,电容加载同轴谐振腔可等效为一端短路的平行双导线与一电容C并联。

用电纳法求解谐振频率,谐振时端面AA′的总导纳为零,可得谐振条件[15]:

$2 π f C = 1 / Ζ_{0} \cot (2 π f / C \cdot L) (1)$

上式为一超越方程,用图解法求得谐振频率f01,f02,f03…可见,对于内导体长度l和电容C结构一定的电容加载同轴谐振腔,可以有无穷个振荡模式,即存在多个谐振频率f0,此性质称为多谐性。通过SEMM仿真分析,0～11 GHz S21的幅值和相位如图4所示。

从图4结果可以看出,0～11 GHz S21幅值和相位都出现多个较均匀整齐的谐振峰,满足电容加载同轴谐振腔多谐性的特点。从幅值图分析, S21峰型较尖锐,品质因数Q较大,在谐振频率附近谐振腔对外界微扰信号变化敏感。从相位图分析,S21在谐振峰处二者均发生±π弧度的相位跳变,说明在谐振峰处,相位信号对频率变化敏感。根据微扰理论和隐失场探测原理,理论上在谐振频点处幅值和相位信号都能呈现样品信息图像。

2.2 电磁场模式分析

实际上,SEMM成像可否除与工作频率有关外,还与工作时电磁场模式有关。仿真分析得到,0～11 GHz SEMM各谐振频点纵向截面均出现驻波谐振现象,且f01=1.44 GHz(基模),f02=4.28 GHz,f04=7.34 GHz和f07= 6.03 GHz处纵向截面出现TEM模式,但由于高次模式影响,在f03=6.03 GHz,f05=8.72 GHz,f06=9.67 GHz处横向截面现非TEM模式。以图5谐振频率f04时腔体电磁场模式进行分析说明。

从图5仿真结果分析得到,在SEMM谐振频率f04时,谐振腔纵向截面出现整驻波波长谐振现象,具有明显的电磁场分界零点,且探针和缝隙出现在磁场强度最大处。横向截面电磁场为TEM模式。

2.3 探针及隐失场作用

以SEMM工作在f04,塑料样品(5 mm×5 mm×2 mm,介电常数Epsilon≈3)为例,分析SEMM探针及隐失场的作用。图6为探针、缝隙及样品表面附近电磁场分布。

由图6可以看出,探针和谐振腔底端缝隙壁之间电磁场模式为TEM模式,探针将谐振腔内部分能量沿探针方向馈出,在探针针尖正下方激励起强烈的隐失场。

图7为样品表面电磁场分布。从图可看出,样品表面探针针尖正下方电场强度最大,可达105 V/m量级,电磁场范围可与探针大小可比拟,即扫描样品空间分辨率。样品表面磁场强度较小,针尖正下方磁场强度相对于周围磁场强度更小些。

3 SEMM测试与分析

3.1 SEMM性能测试

在仿真设计的基础上加工了SEMM测试样机,该样机由电容加载同轴谐振腔、探针、耦合环和SMA转接头组成。为提高针尖隐失场强度,电容加载型谐振腔内导体底端采用锥形设计,探针针尖直径约50 μm。装配后的SEMM样机如图8所示。

实验对SEMM的各方面性能进行测试分析,包括S21仿真与测试结果比较,及微扰前后S21幅值和相位变化等。

从图9和表1可以看出,1～11 GHz范围SEMM谐振频率基本一致,相对误差小于0.07 GHz,S21幅值仿真与测试结果大致吻合,误差可能来源于仿真和测试环境不同,及制作精度、SMA转接头或材料特性误差等影响。

从图10中1～11 GHz S21微扰前后幅值图分析,在谐振频率f01,f02,f04和f07附近S21幅值微扰前后变化明显,差值可达30 dB 左右,可实现成像,而在谐振频率f03,f05和f06附近幅值几乎没变化,不可成像。从S21微扰前后相位差值图分析,除出现个别噪声信号以外,在谐振频率f01,f02,f04和f07附近发生连续的±π弧度的相位跳变,在谐振频率f03,f05和f06附近S21相位微扰前后差值几乎为零,不可成像。

结合前面仿真分析得到,SEMM成像可否除与工作频率有关外,还与工作时电磁场模式有关。当电容加载同轴谐振腔在谐振频点,腔内驻波为TEM模式时,可达到成像目的。

3.2 无损透视探测

实际测试时,SEMM加工样机对封装好的IC卡进行内部无损透视探测,内外结构如图11所示。已知IC卡塑料表皮厚度0.3 mm,内部有一环绕凹槽宽度1.42 mm铜线圈和4 mm×2.5 mm的小芯片,凹槽厚度约0.2～0.5 mm。IC卡内部探测成像结果图11所示。

从图11不同谐振频率IC卡内部探测成像结果分析,谐振频率f01和f04处可呈样品信息图像,f02处信噪比较小,呈现条纹图像,不能显示样品信息。从IC探测成像结果来看,SEMM对内部的铜线圈、小芯片和凹槽均呈现清晰图像,空间分辨率可达0.01λ,实现了不透明物体内部隐藏结构的无损透视探测,这是光学显微镜所观测不到的。

实际探测结果,谐振频率f02和f07处也可成像,f05和f06处不成像,进一步验证SEMM谐振频点成像可否与电磁场是否TEM模式有关,多谐振频点S21幅值和相位信号都可以成像。

图12为隐失场强度随样品表面深度变化曲线。离表面越深,即离探针尖越远,样品内部隐失场强度越小,且变化越来越平缓,说明隐失场可探测到样品内部信息,但探测深度受隐失场穿透深度d限制。仿真得到SEMM穿透实验所用塑料样品的深度约为0.63 mm。

4 结语

本文在分析新型微波近场扫描显微镜同轴谐振腔工作模式的基础上,仿真研究分析并加工测试了SEMM样机。测试采用S参量测量谐振腔多谐振频点S21幅值和相位的工作方式,得到介质层下金属隐藏结构的扫描微波图像,实现了0.01λ超分辨率的清晰图像。虽微波隐失场透视探测受到穿透深度的限制,但已探测到光学显微镜所观测不到的不透明物体内部隐藏结构。该微波近场扫描显微镜为应用于物体内部无损探测和检验提供了重要方法,同时,为进一步检测介电材料内部结构,及金属和导电性能好的复合材料表面形貌等提供了重要的研究基础。

扫描力显微镜篇4

随着微细加工技术、MEMS技术的发展,MEMS器件和微型机械零件的应用也越来越广泛,同时这些器件的几何尺寸越来越小、加工精度越来越高,因此,对测量也提出了更高的要求。目前,以扫描隧道显微镜(STM)、各种扫描力显微镜(SFM)[1]为代表的扫描探针显微镜(SPM)自身都存在一定的局限性。由于STM仪器利用了量子隧道效应产生隧道电流的原理,因而对于绝缘体根本无法实现测量。如果在样品表面覆盖导电层,则会因为导电层涂覆的均匀性等问题导致测量结果的失真。常规原子力显微镜(AFM)虽然适合于各种材料,且具有亚纳米级的垂直分辨力和较小的测量力[2],但AFM受到所采用探针有效长度和锥角的限制。AFM探针有效长度一般仅有数微米,不适合具有数十、甚至数百微米高度的微观台阶以及大深宽比的微沟槽的测量,且测头中一般采用光学方法检测悬臂变形,有可能产生干涉、漏光现象[3],从而给AFM的表面测量带来误差。适合于测量这些器件的纳米三坐标测量机(Nano-CMM)目前还处于研制阶段,测量精度在亚微米量级。目前,学者们利用微音叉、石英音叉、PVDF等构建了新型扫描探针显微镜测头[4],但这些测头需要进一步改进并构建有效的测量系统。

聚偏氟乙烯(Polyvinilidene Fluoride,PVDF)压电薄膜近年来出现了在微夹持和微操作方面的应用[5]。笔者采用PVDF压电薄膜和PZT,结合扫描隧道显微镜中的钨探针,构成了完全对称的表面扫描测头,采用类似于AFM[6]的轻敲模式(tapping mode)型扫描,适合分析柔软、黏性和脆性的样品,并适合在液体中成像。进一步结合信号处理电路、反馈控制模块、高精度扫描平台和图像显示等构成了以PVDF压电薄膜为谐振梁的SPM系统。在测头PVDF悬臂梁下粘接的钨探针的有效长度为数百微米[7],可以实现对大深宽比的沟槽结构进行有效测量。

1 SPM系统总体结构及工作原理

系统由PVDF薄膜振动梁式测头、测头信号处理电路、数据处理及控制系统、扫描成像系统及三维纳米定位控制系统五部分组成,图1所示为系统构成框图。

系统的工作原理是,当测头上完全对称的两块PZT受到相同的正弦信号激励后,PVDF薄膜振动梁被PZT的横向运动所驱动,带动探针沿垂直的Z向做恒定振幅为A的自由振荡,薄膜表面产生的电荷经电路放大处理为一定幅值的电压信号V。当试样在微动平台的带动下与探针发生触碰后,振动梁自由振幅A将减小为A′,相应的电信号由V减小为V′,将这一变化的电信号经处理电路传至计算机的数据采集单元,与电压设定值比较后输出一个压差信号,送入Z向位移控制机构,通过调整Z向工作台使得探针与试样的间距处于设定值并恒定不变,以此形成振幅反馈型控制。最后,通过程序使位移台沿X、Y方向步进一定步距,在试样表面上进行下一点的扫描。直到整个试样表面待测点测量完成后结束。根据扫描点处稳定到恒高状态下的Z向位移值以及X、Y向的步进量就可以重构出试样表面微观形貌图。图2是SPM系统整体实物图。

2 SPM各部分构成原理

2.1 测头的工作原理及特性

基于PVDF压电薄膜振动梁的轻敲式扫描测头的结构及原理如图3所示。测头主体部分由PVDF压电薄膜构成的振动梁及采用电化学研磨法得到的钨探针构成。PVDF薄膜经极化后具有优良的压电特性,沿垂直于极化面方向的压电常数g31可达0.26V·m/N。薄膜的密度在1.76～1.80g/cm3之间,薄膜轻薄、柔软,厚度均匀。钨探针由直径为60μm的钨金属丝经电化学研磨制备而成,其有效长度可达数百微米。该测头结构中,PVDF薄膜振动梁被设计为具有一定弯曲弧度的简支梁形式,在其下表面中央处粘接钨探针。薄膜的左右两端通过夹持机构分别固定在两个完全相同的压电驱动器的外侧,两压电驱动器的内侧固定在它们共用的T形测头架上,由此构成振动梁探针结构。

测头处于工作状态时,两压电驱动器被激励后沿X方向伸缩;迫使PVDF振动梁沿垂直的Z向振动,同时带动探针始终振动于近共振状态。因此,测试中探针与试样不会持续接触,它们之间的相互作用方式是不断地以极小力瞬间接触、接触瞬间即分离,所以称这种扫描方式为微测力轻敲型扫描。对于该新型SPM测头,文献[8]只给出了一些初步的研究结果,本文将详细讨论其系统性能。

该PVDF薄膜具有良好的谐振特性。图4是通过工控机程控函数信号发生器输出信号激励PVDF薄膜振动,进行频率扫描得到的频谱曲线图。谐振频率约为3470Hz,对应前置放大电压信号幅值为0.79V,品质因数约为45,因此该振动梁对外力很敏感。

2.2 测头信号的检测及处理

测头输出信号的检测及处理电路包括前置放大电路和信号调理电路,图5是电路组成框图。利用函数信号发生器给测头提供适当幅值和频率的正弦交流信号,该信号激励PZT带动PVDF薄膜振动于谐振状态,由测头薄膜上下表面输出的等量正负电荷信号经由电荷/电压放大和差动信号放大后转化为经过前置放大的交流电压信号。而采集单元需要的是便于采集的直流信号,所以电路还设计了带通滤波、电压二级放大、交直流转换、低通滤波等信号处理部分,最后得到了高性噪比的直流电压信号。

2.3 精密定位台

精密定位台由宏动部分与微动部分构成。宏动部分用于定位台的粗定位,利用直流伺服电机,通过RS232串口和计算机相连实现运动控制,定位精度约为0.1μm。X、Y、Z三方向行程均为25mm。微动工作台由压电驱动器驱动,微动台的X、Y方向工作台集成了高精度应变式传感器,其运动分辨力在开环模式下为0.2nm,闭环模式下为2nm,Z方向工作台集成了电容式传感器来进行位移测量或实现闭环反馈控制,其闭环和开环工作状态下的运动分辨力都是0.05nm。三个方向的控制模式均可根据需要设置成开环控制或者闭环控制。X、Y、Z三方向行程分别为100μm、100μm、12μm。

2.4 反馈定位及扫描成像系统

本系统通过VC++编程来实现采集卡驱动、串行口处理、数据读取及处理和系统控制。X、Y、Z三个方向的反馈及纳米定位控制系统构成方式如图6所示。在进行试样扫描时,X、Y两方向利用计算机内的控制程序通过RS232串行口向微动控制箱提供位移量控制命令,经过微动控制箱内部集成的D/A转换模块和伺服控制放大模块以完成工作台的精确定位。另外,探针与试样之间位移的调整是通过测头电压值作为输出信号,经过信号调理电路送入工控机与预先设定的比较电压进行比较,通过PI算法对电压差值进行处理输出,经D/A转换、放大后输出电压信号,控制Z向工作台上的压电驱动器伸缩,调整试样与探针之间的距离使之处于恒高状态。Z向位移台闭环调节的过程中,采用的是增量式PI控制算法,比例参数P、积分参数I选取得是否合适对试样扫描时间的长短具有直接的影响。另外,Z向工作台的运动时刻受到其内部集成的电容位移传感器的“监视”,传感器输出信号经过放大整形、A/D转换后被送入工控机,作为该点的Z向坐标。三维扫描成像信号来自于工作台的三维位移信号,即利用软件程序从PI平台微动控制箱读取位移台三维空间位移值,再由三维位移信号构建被测试样表面的三维微观形貌图。

3 系统特性

该新型扫描探针显微镜系统的测试主要包括以下四个重要方面:系统噪声测试、探针与试样逼近-分离测试、PI动态响应测试和图像扫描显示测试。噪声大小是影响测头Z方向空间分辨力的重要因素之一,但系统存在噪声是无可避免的。本系统利用自行编写的程序完成对系统噪声水平的测试,程序中设置采样率为每秒200点,采样时间为3s,以测头谐振状态下输出的直流电压信号为测试对象,通过对采集到的数据进行处理得到系统的噪声水平。如图7所示,系统测头谐振状态下噪声信号峰峰值约为9mV。

试样与探针在逼近过程中,其间距和作用力之间的相互关系通过程序获取。位移台默认测试初始位置为相对零位。开始测试后,位移台相对于该零位的位移值与其相对应的测头直流信号电压值就表征了试样与探针间的距离和作用力,图8是力曲线测试图。通过线性拟合得到曲线线性段斜率,即试样与探针接触过程的灵敏度为49.8V/μm。再根据噪声测试结果,最终得到系统垂直方向空间分辨力为0.18nm。目前,基于压电微音叉构成的轻敲测头灵敏度可以达到0.46V/μm,其系统垂直方向空间分辨力为1.9nm[4],本系统与之相比,具有明显的优越性。大气环境下的轻敲模式AFM垂直分辨力一般在亚纳米量级,在分辨力上本系统与之相当,但本系统的钨探针有效长度有数百微米,在测量深度上具有明显的优越性。

为测定扫描探针显微镜系统在垂直方向上的动态响应特性,通过计算机程序发出指令控制纳米定位台向探针方向移动一定的位移量,以此模拟一个阶跃信号,测试系统稳定到设定电压值处的动态响应特性。通过测试SPM系统对此阶跃信号的响应,得到系统的动态响应特性并确定系统最佳P、I参数值,测试结果见图9。如图9a所示,当维持I=0.09不变时,参数P大小的改变直接影响系统的响应速度及到达稳态的时间;如图9b所示,当维持P=0.07不变时,参数I大小的改变影响系统调节静态误差的强度。最终确定P的范围为0.07～0.09,I的范围为0.05～0.09,相应的系统超调量为30mV左右,动态响应时间在130ms左右。

4 测量结果及分析

扫描探针显微镜系统通过采集被测试件表面的三维位移信息,经过处理后获取试样表面的三维微观形貌图。图10是系统扫描方式和数据点采集示意图,通过程序控制X、Y两方向的纳米定位台以预先设定步长对试样进行逐点逐行式扫描,即X方向每次以一个步长开始扫描,得到该点Z向坐标后,位移台再移动一个步长,探针开始下一点的扫描。每扫描完一行就返回到起点,沿Y方向步进一次,接着沿X向进行下一行的扫描,如此反复,直到扫描完预先设定的范围为止。为了验证系统测量的可行性,以公称栅距为2μm的光栅为试样,对所研制的SPM系统进行检验,获取的三维图如图11所示。扫描范围为18μm×18μm,X向步进量30nm,Y向步进量600nm,每行600个点,共由30条扫描线构成,平均栅距2.04μm,与理论值相符。图12为使用本原公司CSPM4000扫描探针显微镜得到的试样表面形貌图,扫描范围10μm×10μm,平均栅距1.92μm。通过比较,两者获得的形貌轮廓相近,但本文中的栅距值与理论值更接近。

5 结语

利用PVDF谐振梁和钨探针所构建的扫描测头中,PVDF薄膜既作为带探针的振动臂又作为微小位移的传感器,结构简单,不需要辅助的振幅检测系统,垂直分辨力高,达到了亚纳米量级。同时,所采用的钨探针有效工作长度可达数百微米,这使得对具有大深宽比的MEMS器件沟槽进行测量成为可能,填补了目前各类扫描探针显微镜系统的测量空白。另外,通过对聚酯材料光栅的测量表明该新型测量系统是有效的。

参考文献

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扫描力显微镜篇5

1 激光共聚焦扫描显微镜的原理

在传统光学显微镜基础上, 激光共聚焦扫描显微镜用激光作为光源, 采用共扼聚焦原理和装置, 并利用计算机对所观察的对象进行数字图像处理观察、分析和输出。其特点是可以对样品进行断层扫描和成像, 进行无损伤观察和分析样品的三维空间结构[3]。

在普通宽视野光学显微镜中, 整个标本全部都被水银弧光灯或氙灯的光线照明, 图像可以用肉眼直接观察。同时, 来自焦点以外的其他区域的荧光对结构的干扰较大, 尤其是标本的厚度在2um以上时, 其影响更为明显。

激光共聚焦显微镜脱离了传统光学显微镜的场光源和局部平面成像模式, 采用激光束作光源, 激光束经照明针孔, 经由分光镜反射至物镜, 并聚焦于样品上, 对标本焦平面上每一点进行扫描。组织样品中如果有可被激发的荧光物质, 受到激发后发出的荧光经原来入射光路直接反向回到分光镜, 通过探测针孔时先聚焦, 聚焦后的光被光电倍增管 (PMT) 探测收集, 并将信号输送到计算机, 处理后在计算机显示器上显示图像。在这个光路中, 只有在焦平面的光才能穿过探测针孔, 焦平面以外区域射来的光线在探测小孔平面是离焦的, 不能通过小孔。因此, 非观察点的背景呈黑色, 反差增加, 成像清晰。由于照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的, 焦平面上的点同时聚焦于照明针孔与探测针孔, 焦平面以外的点不会在探测针孔处成像, 即共聚焦。以激光作光源并对样品进行扫描, 在此过程中两次聚焦, 故称为激光共聚焦扫描显微镜 (图1) 。

2 激光共聚焦扫描显微镜在食品中的应用

食品科学家在产品开发, 质量控制和基础研究方面面临众多困难, LCSM使许多重要现象的研究成为可能, 如组分的可混性, 物理聚集和絮凝, 相分离以及添加剂和加工条件等对结构的影响等。该技术目前在国外的食品领域研究中已有大量文献报道, 但在国内研究中较少。

2.1 研究食品原料或成分的微观结构

利用激光共聚焦扫描显微镜进行食品原料或成分的结构研究, 对食品结构进行二维和三维的分层扫描, 从而获得食品微观结构的形态及二维和三维量化指标等。通过LCSM扫描观察小麦、马铃薯、玉米等各种谷物淀粉颗粒, 可以得到不同产地或不同加工工艺的谷物淀粉的微观结构, 从而研究各种淀粉的结构与其性质的关系;利用LCSM研究果蔬的细胞结构, 通过构造三维图片观察果蔬细胞的层次结构, 进而研究果蔬贮藏过程中的性质及变化。

2.2 研究食品的乳化性能及稳定性

食品的乳化性能决定了许多食品的结构、口感和稳定性, 因此了解食品体系中不同乳化剂的作用十分重要。LCSM打破了传统的观察界面上的两相分布的方法, 由于LSCM可以同时观察多个荧光通道, 利用不同的染色剂分别对几种乳化剂染色, 通过改变酯类的浓度就可动态地观察乳化剂的取代过程, 采用三维重建还能观察到乳状液的空间分布。

2.3 研究食品的凝胶结构

利用LCSM研究食品蛋白凝胶体系中的蛋白聚集物凝胶的形成, 分析其凝胶网络三维结构的差异, 得出凝胶的微观结构特性, 进一步分析食品的口感及功能特性差异。LCSM在研究各种凝胶的微观结构方面有独特的优势, 尤其在各种动物蛋白凝胶体系中, LCSM能够获得具有高清晰微观结构的图片, 因此在国外被广泛应用于肉制品蛋白或蛋白混合凝胶的结构及形成机理研究中。

2.4 研究食品加工过程的结构变化

激光共聚焦扫描显微镜技术可用于动态地观察食品在加工过程中的结构状态的变化及流变学特性等。利用LCSM可以检测到面筋蛋白结构的变化过程, 并能观察面团醒发过程中特定添加剂在面团中的位置。此外, LCSM还被用于研究流态食品冻结过程中蛋白质的结构变化。

3 展望

激光共聚焦扫描显微镜作为新兴的仪器分析技术, 不但在生物医学领域发挥了巨大的作用, 在食品领域也有着越来越广泛的应用。LCSM不仅为食品科学家研究传统的食品组织结构提供了方便, 而且使食品研究进入到微观体系结构研究的新领域。食品科学家们利用LCSM的无损伤光学切片、三维重建、动态追踪等特点能观察到食品化学微观的不均一性, 食品微生物的活性, 组织的生物构造及酶的活性。随着LCSM技术的不断完善, 它在食品领域中的作用也会越来越突出。

参考文献

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扫描力显微镜篇6

本实验的目的为应用激光共聚焦显微镜评价全酸蚀粘接系统Prime Bond NT和自酸蚀粘接系统Xeno III处理正常牙本质和龋病影响牙本质(CAD)粘接界面超微结构的特点。

1 材料和方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验用离体牙

正常牙本质选用20 颗因正畸拔除的完整、无龋的前磨牙;龋病影响牙本质选用20 颗面慢性龋病前磨牙,4 ℃下分别储存于75%酒精溶液中,1 个月内使用。

1.1.2 实验材料和设备

2 种不同类型的牙本质粘接系统(Prime&Bond NT, Dentsply DeTrey)及(Xeno III,Dentsply, USA),复合体(Dentsply DeTrey, Germany),荧光素:Rhodamine B(C28H31CIN2O3, FW:479. 0,美国Sigma 公司,批号:128H3441)。光固化机(Spectrum, Dentsply, Germany), Isomet 低速锯(Buehler, USA), 激光共聚焦显微镜 (TCS·SP2-AOBS-MP,Leica,Germany),电子数显卡尺(上海台海量具有限公司)和体视显微镜(Zeiss,Stemi SV, Germany)。

1.2 测试用样本的制备

正常牙本质(ND)组:用Isomet 慢速锯在流水条件下垂直于牙体长轴完全去除面牙釉质,暴露牙本质;龋病影响牙本质(CAD)组:先用龋显示剂caries marker (VOCO,Germany) 染色,去除软龋和病变累及的软化牙本质。在体视显微镜下观察,保留颜色较深但坚硬的CAD。上述2 组牙本质表面用600#碳化硅水砂纸湿打磨1 min,超声洗净后备用。

将牙齿分别随机分为2 组,每组10 颗牙齿,分别按照产品说明书的要求和步骤使用一种已将Rhodamine B以1 g/ L的浓度在37 ℃时经超声震荡分别溶解的粘接系统,其上均使用TPH树脂(Dentsply, Germany)修复达3～4 mm。所有粘接好的样本贮存于37 ℃的蒸馏水中,24 h后进行切割。用Isomet慢速锯流水下从釉牙骨质界下约2 mm处磨除牙根,然后沿■龈方向将实验牙切成2 mm厚的薄片。每个牙齿制成3～5 个样本[2,3,4]。

1.3 LSCM观察

制备好的试件储存于37 ℃生理盐水中,观察前将试件固定在载玻片上,在100%的相对湿度下用激光扫描共聚焦显微镜观察。用于图像采集的显微物镜为Plan Neofluar 20 ×物镜(数值孔径NA:0.5) 或40×(NA:1.3)、63×(Plan Apochroma, NA:1.4) 油浸镜;目镜为10×。激发波长为514 nm,发射波长为652 nm。混合层厚度测量所用的软件为Animation GIF 软件。

2 结果

在激发波长为514 nm和发射波长为652 nm 时,Rhodamine B呈现出橙红色的荧光。在正常牙本质组中,2 种粘接系统在牙本质粘接界面均有良好的渗透,没有发现粘接材料和粘接界面分离的粘接失败情况。混合层的厚度为4～6 μm。荧光图象显示粘接剂渗入到牙本质小管、侧枝以及管间牙本质中。牙本质小管口呈漏斗状,其中有较长的树脂突起。牙本质小管中的荧光图像在某些部位有轻微的中断,这些现象在以水和乙醇为溶剂的(Xeno)组中更为明显,且未见牙本质小管侧枝荧光图像。2 种粘接系统之间没有明显的差别 (图 1～2)。

在龋病影响牙本质(CAD)组中,同样观察到有混合层和牙本质小管中树脂突的形成,牙本质小管呈漏斗状,但牙本质小管的侧枝很少见到,混合层的厚度明显增高。牙本质小管中树脂突较细,数量减少,且中断现象较多,长度也有一定程度的缩短,混合层的厚度为8～10 μm左右,特别在Xeno组中可见树脂突的长度明显缩短,中断现象较多(图 3～4)。

C:复合体(compound);H:混合层(hybridlayer);T:树脂突(resin-tag)

3 讨论

3.1 关于实验方法

LSCM 是将光学显微镜技术、激光扫描技术和计算机图像处理技术结合在一起的高科技设备[5]。自1987 年Watson[6]首次在牙本质粘接界面的观察中运用LSCM 方法以来,这一技术在牙本质粘接界面研究中的运用日趋成熟。本实验中选用1 g/L 的Rhodamine B 溶解浓度获得了较为清晰的荧光图像,说明这一浓度的Rhodamine B对于粘接剂较为合适。荧光剂除了可在粘接剂中混合均匀外,还应有合适的发射波长,经共聚焦激光激发,发射出足够强度、能与粘接剂本身自发荧光相区别的荧光。

C:复合体(compund)H:混合层( hybrid layer) T:树脂突(resin-tag)

3.2 牙本质类型对粘接强度的影响

CAD 在光镜下呈均质的暗黄色或褐色外观,牙本质小管内有较多矿物盐沉积,其多为抗酸的白磷钙石,随着数量的增加最终堵塞牙本质小管,阻止粘接树脂的渗透和树脂突的形成。管间牙本质脱矿,牙本质显微硬度降低[7],其中的胶原纤维和粘接后形成的混合层强度都较弱,这些都不利于牙本质粘接。因此这也是显微图像上CAD的树脂突较ND长度短,并且数量较少的原因。

3.3 粘接系统间的差异

LSCM图像显示PBNT和Xeno III在牙本质小管内有良好渗透形成树脂突,而且树脂突在牙本质小管口以下10 μm距离内呈锥状,10 μm以外的粗细均匀,这说明牙本质小管口的管周牙本质被酸蚀溶解直径变大,树脂突在小管口处相应增粗的这种形态说明粘接树脂与小管壁之间有很好的附着(good tag attachment)[3]。PBNT的树脂突比较连续,且有侧支根管的渗透。Xeno III的树脂突较长,但不连续,侧支小管内的渗透很少。PBNT底涂剂中的溶剂为丙酮,Xeno III的底涂剂以乙醇和水作为溶剂,丙酮良好的亲水性使亲水性单体迅速渗入胶原纤维网中的微孔和牙本质小管内,丙酮良好的挥发性,可以去除牙本质表面多余的水份,提高亲水性单体在胶原纤维网中的密度[8]。乙醇和水作为溶剂挥发性的优势不明显,余留的水份和亲水性单体竞争胶原纤维网和牙本质小管内的空间,从而导致了树脂突不连续[9]。

本实验证明在观察正常牙本质对于全酸蚀粘接系统PBNT与自酸蚀粘接系统中,混合层厚度无差别,两者在界面形成的超微结构没有明显区别,而对于龋病影响牙本质,混合层的厚度明显增厚,树脂突的长度有明显的缩短,且中断现象更为突出,但仍需进一步的研究来证实。

摘要：目的:应用激光共聚焦显微镜(LSCM)研究正常和龋病影响牙本质粘接界面的超微结构和粘接机制。方法:选择临床常见2种牙本质:正常牙本质(ND)、龋病影响牙本质(CAD),以RhodamineB为荧光剂,用激光扫描共聚焦显微镜分别观察正常和龋病影响牙本质粘接后形成的牙本质粘接界面微观形态的异同。结果:龋病影响牙本质的混合层厚度为正常牙本质的2倍,两者有明显差异。对正常牙本质2种粘接系统之间没有差异,但对龋病影响牙本质,牙本质小管中树脂突较细,数量减少,且有中断现象,尤其Xeno组更为明显。结论:2种牙本质粘接系统在正常牙本质表面较龋病影响牙本质渗透更加的充分。

关键词：全酸蚀,自酸蚀,粘接界面,激光扫描共聚焦显微镜,混合层

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扫描力显微镜篇7

1 茶树叶片显微结构研究进展

1.1 茶树叶片显微结构研究进展

茶树叶片包括上、下表皮、叶肉、叶脉三个部分。上表皮由一层密接的长方形细胞组成,上面覆被一层角质层;下表皮具有气孔和表皮毛;一般植物的气孔由一堆保卫细胞围成,有些植物的保卫细胞外还有副卫细胞环绕,合称气孔器。气孔的密度和大小,随品种的不同而不同,同一片叶片按叶尖、叶中部、至基部依次减少;表皮毛基部有腺细胞,能分泌芳香物质,使茶叶具有特殊的香气;上、下表皮之间为叶肉,由栅栏组织与海绵组织构成,栅栏组织紧接上表皮,由1-3层垂直于叶片表面、排列紧密的圆柱形薄壁细胞构成,细胞里含有很多的叶绿体;栅栏组织下面是由排列疏松、不规则的薄壁细胞构成的海绵组织,内含有少量叶绿体[2,3]。据研究,铁观音、毛蟹、黄旦、奇兰、梅占、大叶乌龙、本山八个福建乌龙茶品种均具有两层栅栏组织,叶下表皮均有腺鳞结构;柳叶早、高桥早的栅栏组织细胞为2-3层,福鼎大白茶、安化群体品种为2层,明前早和云南大叶群体品种为1-2层;福鼎大白茶、柳叶早、云南大叶群体品种、安化群体的海绵组织中细胞间隙较大,明前早和高桥早则较小。不同品种的叶片厚度、气孔分布的疏密度、气孔的大小、表皮毛的长短及纹饰有一定的区别:黄旦的叶片较厚,气孔分布较密,奇兰的角质层较薄;下表皮细胞的波纹比上表皮的大,这些结构上的差异对品种间的区分和加工中发酵时间的长短具有一定的影响[4,5]。同时,茶树叶片的显微解剖结构与其生化成分密切相关。据王守正等[6]研究表明,茶树的游离氨基酸含量与叶片的海绵组织厚度呈正相关。

1.2 茶树叶片显微结构与茶树生理及抗性的研究进展

植物对周围环境变化的反应较多地体现在叶片的形态结构上[7]。茶树野生种与栽培种的石细胞形态有一定的区别;栽培种中,具有两层栅栏组织以上的茶叶石细胞与一层栅栏组织的石细胞的分布和数量有所区别,表皮毛多的品种,叶肉的石细胞较少,反之则相反[8]。茶树光合速率与栅栏组织厚度、栅栏组织与海绵组织的比值呈正相关,与叶片的总厚度呈负相关,叶片的净光合速率与茶树的叶片面积的大小有较强的一致性[9]。茶树的芽鳞片具有上下表皮,但无栅栏组织和海绵组织的区别,茶树萌发的早晚与品种芽鳞片厚度及其表皮厚度具有高度的相关性。茶树的内在节律是其休止的主要原因[10]。

叶片的结构与抗寒性有着密切的关系[11]。叶片的耐寒性与栅栏组织所占的比例、栅栏组织与海绵组织的比值呈正相关[]21。李剑等[13]对18个陕西品种和8个引进茶树品种的解剖结构进行对比研究,结果表明,当地品种的抗寒性比外地引进品种高,其叶片的解剖结构具有栅栏组织层数多、厚度大、上表皮与海绵组织的比值和栅栏组织与海绵组织的比值相对较高的特点。束际林[14]研究进一步指出,叶肉组织发达、分化程度高、栅栏组织厚度大、层次多、排列紧密、细胞较小的茶树的抗寒性较高。同时,王玉等[15]通过对50份茶树种质材料的解剖结构观测,制定出茶树叶片解剖指数,并确定其计算方法。

叶片结构与植物的抗旱性有着密切的关系。王怡[16]研究指出:发达的角质、具表皮毛、发达的栅栏组织、叶肉具有结晶物是叶旱生结构的主要特点。

叶片结构与植物的抗虫性有着密切的关系。覆盖于植物表皮上面的蜡质是一种不溶解于水而溶解于有机溶剂的一类混合物[17],可以防止某些害虫的蚕食[18]。茶树的抗虫性与气孔密度有密切的相关,与叶片下表皮厚度、下表皮角质层厚度和栅栏组织厚度呈负相关,与海绵组织厚度呈正相关,而与茸毛的密度和长度相关性不显著[19]。茶云纹叶枯病病原菌嫩叶的侵染率高于成熟叶,除了与嫩叶中的营养物质丰富有一定关系外,与茶树不同叶位的角质层厚度、栅栏组织层次的多少和海绵组织细胞排列的松紧有一定的相关性[20]。林金科等[21]研究表明,低农残的茶树资源具有叶尖急尖、角质层与栅栏组织厚度的比值低,角质层与海绵组织厚度的比值低,上表皮与角质层的比值高的特征。

1.3 茶树鱼叶、鳞片显微结构研究进展

茶树鱼叶的叶肉未分化为栅栏组织和海绵组织,具有大的细胞间隙,叶肉细胞内叶绿体稀疏,叶色黄绿,叶脉维管束中主脉较明显,具有成熟的导管和筛管,侧脉不明显为隐脉[22]。而另有报道指出,鱼叶的内部结构近似真叶,有栅栏组织与海绵组织分化,但不如真叶明显,栅栏组织系由1-2层较粗短的长椭圆形细胞组成,海绵组织细胞较大,排列也较疏松[23]。其它描述未见报道。

2 茶树叶片扫描电镜研究进展

2.1 茶树叶片扫描电镜研究进展

在扫描电镜下,可以观察到表皮细胞、表皮毛、气孔器及其副卫细胞的细微结构,这些在辨认茶树亲缘关系和品种鉴定上具有十分重要的意义[24]。茶叶的结构与品种和生长环境有密切关系,不同品种结构不同,同一品种也因生态因子不同而呈现结构差异。但尽管有复杂的变化,其基本结构不变,表现为典型的背腹叶,表皮的附属物(气孔器与表皮毛)都集中在下表皮。据严学成[25]研究,茶树野生种的角质层外面各种不规则图案由丰富的蜡质构成,野生种中保卫细胞上的角质层厚度和纹饰是有区别的。下表皮层内表面随着角质层厚度的变化而形成各种深度不等的凸缘,这些凸缘直接影响到表皮细胞的形态[26]。野生种的下表皮细胞波纹较大,具有普通气孔和异型气孔,普通气孔有的存在极层,有的端壁分离[27]。野生种的异型气孔普遍存在,由于与气孔连接的表皮细胞有腺质细胞的特征,故又称腺鳞,腺鳞的存在可能与香味的分泌有关。野生种下表皮大多无表皮毛或毛很稀疏,且较短。栽培种上表皮角质层是较规则的细胞形皱脊,表面较光滑[28]。大叶种的角质层皱脊较低而狭窄,回旋形,端壁具分支;小叶种的角质层具细密方形、覆瓦状、回纹形分枝弯勾等。栽培种下表皮的蜡质纹饰皱脊隆起较多,表面较光滑,并且比上表皮的大。

2.2 茶树鱼叶、鳞片扫描电镜研究进展

茶树鱼叶上下表皮的蜡质层逐渐趋于规则,气孔器发育正常,并具有表皮毛。鳞片表皮的外表面有角质层,角质层上面纹饰不规则,堆积较厚的蜡质。在下表皮上具有气孔。其它描述未见报道[29]。

3 乌龙茶加工显微及超显微结构研究进展

不同的茶树品种适制不同的茶类,不同的茶类对品种鲜叶本身的内含物的要求不一样。相对而言,红茶品种要求茶多酚含量比较高,绿茶品种则要求氨基酸含量比较高,大量化学分析数据表明,通过茶多酚与氨基酸的比值,可以更明确的表示出一种品种适制绿茶或适制红茶,比值较大者一般适制红茶,较小者一般适制绿茶[30],而茶多酚和氨基酸的含量及比值与栅栏组织和海绵组织具有密切的关系。

乌龙茶加工中要求鲜叶为具一定成熟度的开面,这主要与相对成熟的鲜叶中的内含物有关。据严学成[31]研究表明,适制乌龙茶的品种从芽下一叶到四叶,叶内的叶绿体的结构逐渐发生分化,叶绿体的片层增多,叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量呈递增趋势,至第三叶,叶绿体出芽产生原质体,可能与乌龙茶特殊香气的产生有关。

茶树成熟叶片的叶绿体在栅栏组织和海绵组织中的分布式是不均一的,地方品种,如绿芽佛手、福鼎大白茶、白奇兰、福鼎大毫等,叶绿体内大型淀粉粒含量丰富,叶绿体的片层相对不发达;在电子显微镜下观察,植物细胞中的叶绿体内的嗜锇颗粒是一些电子密集很深的圆形小颗粒,在衰老细胞或一些病理变化的细胞叶绿体内的嗜锇颗粒含量较多[32]。毛蟹品种叶绿体内嗜锇颗粒含量多[33]。

茶树叶片的显微结构不仅与其本身的生理生化密切相关,还是加工中技术参数的制定的理论基础。目前,对茶树显微结构的研究集中在生理、品种鉴定、抗性等方面,而对于茶叶加工中显微结构的变化研究较少。乌龙茶品种的叶片出现异型气孔,笔者观测结果发现异型气孔因品种、生长成熟度等不同有所差异,这对乌龙茶品质形成具有何种工艺意义,是个值得探讨的问题,有待进一步的研究报道。

摘要：叶片的显微结构不仅是茶树一系列生理活动的基础,同时,与茶树品种的产量、品质、抗逆性等都有着密切的关系。应用光学显微镜和扫描电镜对茶树叶片的显微结构及上下表皮的结构进行观察研究,对于茶树品种的鉴定及加工过程中技术参数的设定等具有十分重要的意义。

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