透射電子顯微鏡側(cè)插式CCD相機(jī)數(shù)字圖片放大倍數(shù)的解析

李 爽,崔新明,董 超,李艷茹

(吉林大學(xué) 病理生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130021)

透射電子顯微鏡側(cè)插式CCD相機(jī)數(shù)字圖片放大倍數(shù)的解析

李 爽,崔新明,董 超,李艷茹

(吉林大學(xué) 病理生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130021)

針對數(shù)字化透射電子顯微鏡與傳統(tǒng)透射電子顯微鏡在觀察記錄系統(tǒng)上存在的差異，通過比較分析數(shù)字化透射電子顯微鏡側(cè)插式電荷耦合器件(CCD)相機(jī)采集的圖像、操作界面View視窗觀察到的圖像與電鏡示數(shù)放大倍數(shù)之間的差異，詳細(xì)地分析了數(shù)字化透射電子顯微鏡側(cè)插式CCD相機(jī)采集的數(shù)字圖片的放大倍數(shù)發(fā)生變化的原因. 可以幫助應(yīng)用電鏡的廣大教師及科研工作者更加快速、直觀地掌握數(shù)字圖片確切的放大倍數(shù)，更有利于結(jié)果的分析.

透射電子顯微鏡；側(cè)插式電荷耦合器件相機(jī)；數(shù)字化圖像；放大倍數(shù)

隨著人類社會信息化、電子化、網(wǎng)絡(luò)化的高速發(fā)展，信息的數(shù)字化已成為信息傳送、處理和存儲的最有效方法. 在電子顯微鏡領(lǐng)域，數(shù)字化圖像也取得了長足的進(jìn)展. 傳統(tǒng)透射電子顯微鏡的觀察記錄系統(tǒng)包括熒光屏和照相機(jī)，獲取圖像的方式是將膠片放在熒光屏位置通過熒光板感光成像，因此膠片上圖像的放大倍數(shù)與熒光屏上的圖像放大倍數(shù)一致. 現(xiàn)代數(shù)字化透射電子顯微鏡觀察記錄系統(tǒng)是將帶有圖像信息的透射電子，通過電光轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成光信號后傳送到電荷耦合器件(CCD)上進(jìn)行圖像采集. 然后，通過圖像采集卡傳送到計算機(jī)上，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行圖像的后處理[1]. 因此，CCD采集到的數(shù)字化圖像的放大倍數(shù)會由于CCD相機(jī)的插入方式不同而與熒光屏上的圖像放大倍數(shù)(即電鏡軟件信息欄內(nèi)顯示的放大倍數(shù)，也就是電鏡熒光屏上投射圖像的原始放大倍數(shù))有所差異.

CCD相機(jī)主要有底插式和側(cè)插式兩種. 由于通過成像系統(tǒng)獲得的光源由上至下呈逐漸發(fā)散狀態(tài)，光學(xué)圖像信號亦呈放大趨勢. 底插式CCD相機(jī)安裝在電鏡熒光屏的下方底部接口處，接收到的圖像的放大倍數(shù)會比傳統(tǒng)膠片成像放大倍數(shù)大很多. 側(cè)插式CCD相機(jī)安裝在電鏡35 mm接口處，因其收集圖像信號的位置在熒光屏上方，所以得到圖像信息實(shí)際放大倍數(shù)會比傳統(tǒng)膠片成像放大倍數(shù)小. 理論上，我們以膠片的原始放大倍數(shù)為1，底插式CCD相機(jī)所在底部接口處放大倍數(shù)為1.1到1.5，側(cè)插式CCD相機(jī)所在 35 mm 接口處的放大倍數(shù)為0.2到0.3[2]，具體放大倍數(shù)因透鏡不同存在差異，如圖1所示.

圖1 透射電子顯微鏡示意圖Fig.1 Diagram of transmission electron microscope

1 數(shù)字化透射電子顯微鏡配置側(cè)插式CCD相機(jī)所采集數(shù)字圖像的放大倍數(shù)

1.1 側(cè)插式CCD相機(jī)采集的圖像信息放大倍數(shù)與電鏡示數(shù)放大倍數(shù)的比較

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)室主要觀察生物樣品，要求觀察視野大，故選用了側(cè)插式的CCD相機(jī). 通過像素計算，查找Gatan相機(jī)提供軟件工具欄“File—Global infor—CCD”中像素大小，pixel size(μm)數(shù)值顯示“7.4+i7.4”. 右鍵單擊單張觀察圖像 “Image display infor—image—infor—pixel size(μm)”，查找該圖片放大倍數(shù)下像素大小，通過像素之間計算可以得出CCD采集到數(shù)字圖像信號的放大倍數(shù). 例如，電鏡放大倍數(shù)示數(shù)為1700時，按照像素值計算“7.4/0.014≈528”，依次類推. 統(tǒng)計結(jié)果如表1所列.

表1 CCD相機(jī)放大倍數(shù)與電鏡示數(shù)對照表Table 1 Comparison table of CCD camera magnification and electron microscope display

統(tǒng)計結(jié)果顯示，側(cè)插式CCD相機(jī)所采集的圖像信號放大倍數(shù)低于電鏡顯示放大倍數(shù).

1.2 側(cè)插式CCD相機(jī)操作界面View視窗觀察到的圖像放大倍數(shù)與電鏡示數(shù)放大倍數(shù)的比較

通過側(cè)插式CCD相機(jī)獲得的數(shù)字化圖片上均附有標(biāo)尺.使用標(biāo)尺計算，可以用Gatan CCD軟件工具欄內(nèi)提供的Cal line工具，測量圖片上標(biāo)尺的準(zhǔn)確長度“L”，除以標(biāo)尺在圖片中標(biāo)識的長度“Z”，即可計算出獲得View視窗內(nèi)顯示圖片的放大倍數(shù)“N=L/Z”. 以本實(shí)驗(yàn)室正在使用的設(shè)備DELL液晶顯示器(P2214Hb)設(shè)置Full CCD模式為例，View視窗觀察圖片放大倍數(shù)的測量計算統(tǒng)計結(jié)果如表2所列.

表2 View視窗放大倍數(shù)與電鏡示數(shù)對照表Table 2 Comparison table of view window magnification and electron microscope display

統(tǒng)計結(jié)果顯示，側(cè)插式CCD相機(jī)應(yīng)用中View視窗觀察到的實(shí)際圖像放大倍數(shù)高于電鏡示數(shù)放大倍數(shù).

2 電鏡用戶如何獲得數(shù)字圖片確切的放大倍數(shù)，直觀了解觀察結(jié)構(gòu)的大小

數(shù)字圖片的放大倍數(shù)會因?yàn)椴シ旁O(shè)備的不同而存在差異. 根據(jù)上述統(tǒng)計結(jié)果顯示，側(cè)插式CCD相機(jī)收集到的圖像信號比原始熒光屏放大倍數(shù)小，但是在view視窗內(nèi)觀察到的圖片的放大倍數(shù)卻大于原始熒光屏上觀察到的放大倍數(shù). 這是因?yàn)轱@示器對于CCD收集到的圖像信號具有放大作用的，而其放大系數(shù)的多少與顯示器大小有關(guān). 因此，每張數(shù)字圖片上的標(biāo)尺就成為衡量圖片放大倍數(shù)的標(biāo)準(zhǔn). 由于在透射電子顯微鏡使用過程中，受加速電壓、電流穩(wěn)定性及樣品質(zhì)量等諸多因素的影響，其標(biāo)尺標(biāo)識的放大倍率會產(chǎn)生一定的偏差. 因此，需要定期使用可溯源的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對透射電子顯微鏡的放大倍率進(jìn)行校準(zhǔn)[3].

如果電鏡用戶想要獲得數(shù)字圖片的確切放大倍數(shù)，可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)：一是除了通過標(biāo)尺計算法獲得數(shù)字圖片的實(shí)際放大倍數(shù)；二是根據(jù)表2的統(tǒng)計結(jié)果，電鏡示數(shù)與View視窗圖像放大倍率之比大約為1∶4.4. 因此，可以將電鏡實(shí)時顯示放大倍數(shù)乘以4.4即可得到數(shù)字圖片的實(shí)際放大倍數(shù). 第一種方法更加精確，第二種方法更加快速、簡單.

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)室自使用TECNAI SPIRIT型透射電子顯微鏡以來，獲得的數(shù)字圖片結(jié)果均有明確標(biāo)尺，實(shí)時精確標(biāo)識圖片放大倍率的改變. 通過標(biāo)尺簡單計算即可獲得圖片準(zhǔn)確放大倍數(shù). 同時，通過CCD相機(jī)軟件工具的簡單操作計算即可直觀了解觀察具體結(jié)構(gòu)的長度、面積等量化數(shù)值. 為觀察者在觀察中及時得到實(shí)時放大倍數(shù)，也可通過電鏡示數(shù)乘以4.4的方法粗略計算. 數(shù)字化透射電子顯微鏡能夠?yàn)橛脩籼峁┖唵巍⒖旖?、?zhǔn)確的數(shù)字化圖片，不但大大提高了電鏡的使用效率，也為廣大教師和科研工作者提供了更好的服務(wù).

[1] 龔丹，曾立波，張宏波，等.透射電鏡CCD數(shù)字圖像系統(tǒng)的研制[J].分析測試技術(shù)與儀器，2005, 11 (2):133-136.

[2] 劉冰川, 曲利娟, 劉慶宏. 透射電子顯微鏡成像方式綜述[J]. 醫(yī)療設(shè)備信息，2007,22(9)：43-46.

[3] 國凱.透射電子顯微鏡放大倍率校準(zhǔn)的研究[J].山東化工，2014，6(43)：93-95.

Magnification Analysis of Digital Image of Side-line Charge Coupled Device Camera of Transmission Electron Microscope

LI Shuang, CUI Xin-ming, DONG Chao, LI Yan-ru

(KeyLaboratoryofPathobiology,MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130021,China)

According to the differences between digital transmission electron microscopy with conventional transmission electron microscope in observing and recording a system, we analysed the reasons for the change of magnification of the picture collected by digital transmission electron microscope through the comparison of the differences between the images collected by digital transmission electron microscopy with side-line charge coupled device(CCD) cameras, images observed by the interface view window and electron microscope in magnification. This study enables the teachers and researchers to grasp the exact magnification digital pictures more quickly and intuitively to analyze the results.

transmission electron microscope; side-line CCD camera; digital image; magnification

分析測試經(jīng)驗(yàn)介紹(055～057)

2016-10-10;

2016-11-28.

李爽(1984-)，女，工程師，碩士研究生，主要從事生物電鏡技術(shù)研究，E-mail: lishuang1984@jlu.edu.cn

李艷茹(1974-)，女，副教授，博士研究生，主要從事肝臟腫瘤病理研究，E-mail: liyr@jlu.edu.cn.

O657.3

B

1006-3757(2017)01-0055-03

10.16495/j.1006-3757.2017.01.011