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光學顯微鏡觀察方式大盤點：霍夫曼調制相襯

霍夫曼調制相襯(Hoffman Modulation Contrast，簡稱HMC)是ROBERT HOFFMAN教授于1975年提出的一種觀察方式①，是基于斜照明技術加入偏振鏡、狹縫光闌和調制器改進而來的一種透明樣品觀察技術，特點是有三維立體感，且適用于塑料培養(yǎng)皿，有人稱之為“窮人的DIC”，主要用于IVF注射等顯微操作。

MF53-HMC拍攝的卵母細胞

一、成像原理

斜照明成像與明場成像對比②

斜照明（Oblique Illumination）技術又稱離軸照明（Off-Axis Illumination），是一種非常古老的顯微鏡技術，1866年由德國物理學家August Toepler提出③，并由阿貝聚光鏡的發(fā)明者Ernst Abbe完善，基本思路是利用偏軸光照射樣品，然后經過透明樣品發(fā)生衍射、反射和折射，最終除了未衍射的0級光，還能把一兩個臨近級別的衍射光（1級和-1級）用到成像中，從而提升分辨率和焦深，形成浮雕樣式的立體成像，因此這種觀察方式又稱浮雕相襯（Relief Contrast，簡稱RC）。

標準PH相襯和CK40的RPC斜照明相襯，注意斜照明下整個畫面明暗漸變

斜照明提升分辨率和焦深的原理

斜照明很多地方跟簡易透射暗場相近，只是它的光闌不是環(huán)形的，而是半圓或其他狹縫形狀，有更強方向性。題外話一句，極紫外光刻EUV也使用了斜照明技術。

霍夫曼光路結構

霍夫曼調制相襯在斜照明基礎上加入了三個部件，偏振鏡，狹縫聚光鏡和物鏡調制器，使部分衍射光的強度大于背景光，部分衍射光的強度小于背景光，這樣就形成更高對比度的立體成像。

當前霍夫曼調制相襯的專利已經過了保護期，四大品牌都推出了自己的HMC技術，奧林巴斯Evident叫浮雕相襯RC（Relief Contrast，繼承以前RPC的命名），尼康叫高級調制相襯NAMC（Nikon Advanced Modulation Contrast），蔡司叫改進型調制相襯iHMC（Improved Hoffman Modulation Contrast），徠卡叫整合調制相襯IMC（Integrated Modulation Contrast），除了徠卡的是特有的機身調制器取代物鏡調制器，其他跟原始設計差距不大。

二、關鍵部件

典型霍夫曼相襯需要三個部件，偏振鏡，霍夫曼聚光鏡（帶狹縫光闌），霍夫曼物鏡（帶物鏡調制器）。

MF53-HMC的霍夫曼相襯配件

·光源偏振鏡

光源偏振鏡在光源和聚光鏡之間

偏振鏡在光源和聚光鏡之間，相當于一個起偏器，它可以旋轉，旋轉后可以調整成像的立體感和對比度。

·霍夫曼聚光鏡

霍夫曼聚光鏡，注意半透明的狹縫檢偏器

霍夫曼聚光鏡又稱狹縫聚光鏡，一般采用轉盤式設計，按照10X/20X/40X三個倍數有不同的狹縫光闌裝在聚光鏡前焦面，另有留空孔用于明場觀察。

聚光鏡狹縫光闌分為三個部分：占大部分的暗區(qū)，不透光；離軸的狹縫，100%透光；狹縫檢偏器，連著狹縫，尺寸跟狹縫相近，旋轉光源偏振鏡會改變這個區(qū)域的通光率，可以改變成像立體感和對比度。

注意：由于樣品在起偏檢偏的光路之后，而不是在起偏檢偏之間，因此霍夫曼可以看塑料培養(yǎng)皿和塑料樣品。

簡化版的霍夫曼沒有偏振鏡，狹縫光闌只有暗區(qū)和狹縫，沒有狹縫檢偏器。

·霍夫曼物鏡

霍夫曼物鏡會有HMC、PMC、NAMC等標記

霍夫曼物鏡跟相襯物鏡相似，在物鏡后端的后焦平面上嵌入了精密的物鏡調制器，這個調制器不能移動不能取出。

霍夫曼物鏡后端可見三個區(qū)域

物鏡調制器分成三個區(qū)域：在邊緣的暗區(qū)，透射1%光線；狹窄的灰區(qū)，透射10-15%光線；透明區(qū)，連著灰區(qū)，100%透光。

霍夫曼物鏡能用于明場、暗場和熒光觀察，但用在熒光觀察時效果不佳，因為有調制器，其透光率低于普通明場物鏡。

注意：霍夫曼的狹縫光闌和物鏡調制器有很強的方向匹配關系，物鏡擰緊后，需要調整聚光鏡狹縫方向來匹配，非專業(yè)人士請不要調霍夫曼物鏡或聚光鏡，否則很難調節(jié)回最佳狀態(tài)。

IMC可調的狹縫插板，統一的物鏡調制器（IMC/BF文字和孔位相對而非相鄰）

另外整合調制相襯IMC的物鏡調制器設置在了物鏡后焦面的共軛面上，也就是在機身內置而非物鏡內置，因此可以使用霍夫曼物鏡以外的物鏡。但必須提醒的是，IMC是組合消色差設計，物鏡與觀察頭是成套搭配實現消色差的，隨便換物鏡可能破壞消色差設計導致效果不佳。

三、成像特點

霍夫曼調制相襯成像接近DIC微分干涉，并且在使用層面上還有成本更低、工作空間大、可以觀察塑料培養(yǎng)皿等優(yōu)勢，因此廣泛應用于顯微操作、IVF輔助生殖等領域。

霍夫曼可觀察塑料等各向同性材料，DIC不能④

1、強立體感

霍夫曼可以提高透明樣品的可見性和對比度，圖像有強立體感，效果接近DIC，有利于顯微操作。

霍夫曼拍攝的口腔上皮細胞

2、豐富細節(jié)，無光暈

霍夫曼沒有澤尼克相襯的光暈瑕疵，成像邊緣更清晰，且焦深更大，細節(jié)豐富。

樣品形狀和方向不同影響了霍夫曼成像畫質

3、強方向性，低可重復性

這是個缺點，霍夫曼觀察的效果與狹縫方向、樣品方向相關。舉例而言，兩臺霍夫曼顯微鏡，物鏡擰緊之后的旋轉角度可能不一致，對應聚光鏡狹縫的角度也會不一致，即便樣品在兩臺顯微鏡之間平移，得出的成像也會有不同，相同原理，同一臺霍夫曼顯微鏡，樣品旋轉角度不同，即便相同區(qū)域成像也會不同。這導致霍夫曼等所有基于斜照明的系統都存在可重復性問題，因此論文普遍傾向用更高可重復性的相襯和DIC等觀察方式。

四、主要應用

霍夫曼顯微注射

1、IVF輔助生育

霍夫曼的強立體感和大工作空間，讓它非常適合精密的顯微操作使用，比如在IVF輔助生育領域，霍夫曼可以為卵胞質內單精子注射（ICSI）技術提供成像支持。

2、轉基因研究

類似IVF中的精子注射，在各種轉基因研究中也有類似的原核注射（pronucleus injection）技術，使用霍夫曼可以為顯微操作提供精確的立體成像支持。

五、明美產品推薦

1、顯微操作成像平臺：MF53-HMC/MIX60-HMC

• 成像具有類似DIC的強立體感，適合卵母等透明樣品

• 成本比DIC更有優(yōu)勢，適合IVF等規(guī)模化使用

• 帶偏光鏡，可調節(jié)成像立體感和對比度

• 可以滿足較厚透明樣品觀察

①HOFFMAN, R., GROSS, L. The modulation contrast microscope. Nature 254, 586–588 (1975). https://doi.org/10.1038/254586a0

②Pelc, Radek & Hostounsky, Zdeněk & Otaki, Tatsuro & Katoh, Kaoru. (2020). Conventional, Apodized, and Relief Phase-Contrast Microscopy. 10.1007/978-1-0716-0428-1_10. 

③To¨pler A (1866) Ueber die Methode derSchlierenbeobachtung als mikroskopischesHu¨lfsmittel, nebst Bemerkungen zur Theorieder schiefen Beleuchtung. (Poggendorff ’s)Annalen der Physik und Chemie (Leipzig)127(4):556–580. https://doi.org/10.1002/andp.18662030405 [Annalen der Physik (Ber-lin) 203(4):556–580]

④Hoffman, R. (1989). Modulation Contrast and Differential Interference Contrast Techniques. In: Hemsley, D.A. (eds) Applied Polymer Light Microscopy. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-94-011-7474-9_5

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