什么是相位对比显微镜（Phase Contrast Microscopy）？

相位对比显微镜操纵光在通过透明标本时的相位变化。通过将相位移动转换为振幅（亮度）的变化，该方法使科学家能够以高水平的细节观察有机和生物样品，而不需要进行样品制备、染色或标记。

相位对比显微镜是如何工作的？
荷兰物理学家Frits Zernike在1930年代早期发明了相差显微镜，他的工作于1953年获得了诺贝尔物理学奖。

Zernike指出，在介质（不是真空）中传播的光波与介质相互作用，并根据介质的特性经历波幅和相位的变化。

振幅或亮度的变化是由于光与介质相互作用时被散射和吸收的结果。这些变化往往取决于所发射的光的精确波长，并可能导致所看到的不同颜色。

相位变化对人眼或光学摄影设备来说是不可见的，但可以用相位对比显微镜观察。这些变化传达了关于介质的有用信息。

为了使相位变化在相差显微镜中可见，需要一个装置将照明（背景）光与通过与试样（在前景）相互作用而散射的光分开。

一个环形的照明光通过一个聚光器环，并聚焦到标本上。其中一些光被标本散射（前景光），其余的（背景光）不受影响。

散射光很弱，通常相对于背景光有-90°的相位偏移。因此，前景和背景具有相似的强度，这导致图像对比度低。

对比度可以通过限制到达图像平面的背景光的数量来产生，或者通过在背景光和前景光之间产生建设性的干涉。

也可以通过将光的相位偏移+90°来实现相位对比显微镜的结果。

相位对比显微镜的优点
相位对比显微镜的一个重要优势是可以自然地研究任何活细胞，而不需要固定、标记或染色。

该技术产生的所有图像可以是无标签的。这也为研究人员节省了时间，并减少了实验之间出现错误或变化的机会。

相位对比法对透明样品效果很好，因为额外的干扰使样品更加明显。在这种技术中，整个物体都被照亮了。

对于研究活细胞的细胞内成分，相衬显微镜提供了相对较高的分辨率。细胞线粒体、有丝分裂的染色体、空泡和其他活细胞成分都可以用这种方法来研究。

相差显微镜的组件也可以添加到几乎所有类型的光学显微镜中，只要相位物镜符合显微镜的管长参数，聚光器可以与正确尺寸的环形相位环联姻。这使得它成为一种灵活和广泛适用的技术。

相位对比显微镜的劣势
相位对比显微镜的成本很高，物镜的价格为1000美元。

也有失真的影响，例如作为产生相位对比的自然结果出现的光环。这种失真可以用昂贵的专业设备来纠正，该设备具有外部干涉测量模块。

相位对比显微镜的用途是什么？
相位对比显微镜的大多数应用是在生物学研究和教育方面。自发明以来，该技术已使生物学家能够研究活细胞，观察它们通过细胞分裂繁殖，并实时通过生命阶段的进展。

以下是相差显微镜的一些重要应用领域。

观察活细胞

相位对比显微镜有助于观察培养物中的活细胞，以及它们在培养物中如何互动和生长。

同样，它也被用于分析微生物的细胞结构和对细胞中的乳胶分散体进行成像。

在引入相位对比显微镜之前，生物细胞只能在事先染色的情况下进行成像。除了需要额外的准备工作外，这还会导致许多生物细胞的死亡。

另一方面，由于不需要染色，相位对比可以用于活细胞。

墨西哥瓜纳华托大学(Universidad de Guanajuato)的工程师提出了一种由人工智能(AI)驱动的方法，用于自动识别细胞，并使用相差显微镜跟踪细胞迁移。

该团队用相位对比视频显微镜获得了几个细胞的数据，并引入了一种根据差异对其进行分类的方法。一旦细胞被检测到，他们的算法就通过寻找细胞的中心点来跟踪细胞迁移。

材料科学
相位对比显微镜也被应用于材料科学，通过最小的样品制备来观察表面结构。

材料科学家通过分析和模仿天然纤维，在开发先进或仿生纤维时使用该方法。玻璃碎片也是这种技术的好样品。

古生物学
古生物学家也使用相差显微镜来记录化石的石印图案。

参考资料

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Zernike, F., (1955). How I Discovered Phase Contrast. Science. doi.org/10.1126/science.121.3141.345. 

Written by

Ben Pilkington