生物顯微鏡質量控制研究*

邵玉波 孟祥峰 劉艷珍 張 超 苑富強*

生物顯微鏡質量控制研究*

邵玉波①孟祥峰①劉艷珍①張 超①苑富強①*

目的：為加強對生物顯微鏡的質量控制與監督提供技術支持和參考。方法：以國家標準GB/T 2985-2008生物顯微鏡為基礎，闡述物鏡、目鏡和聚光鏡等光學部件的主要質量控制參數及意義，探討其參數參與質量控制的必要性和重要性，對現階段存在的主要問題進行分析，并對下一步的質量控制工作提出對策。結果：生物顯微鏡的物鏡和聚光鏡的數值孔徑以及物鏡和目鏡的齊焦距離偏差等光學參數直接影響著顯微鏡的成像質量。結論：三大光學部件的主要質量控制參數對控制生物顯微鏡的質量發揮著重要的作用，應考慮將其納入質量控制的范疇。

生物顯微鏡；物鏡；目鏡；聚光鏡；光學部件；質量控制

[First-author’s address] National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China.

生物顯微鏡是用于放大檢測微小物體的精密光學儀器，其突破人類的視覺極限，使之延伸到肉眼無法看清的細微結構，被廣泛應用于生物學和醫學領域。生物顯微鏡根據其預期用途的不同可分為普及顯微鏡、實驗室顯微鏡和研究用顯微鏡。生物顯微鏡的主體部分均由物鏡、目鏡和聚光鏡三大光學系統組成。生物顯微鏡產品質量的高低，主要取決于光學系統的質量，其中任何光學部件出現質量問題都會直接影響顯微鏡的成像效果。目前，我國對生物顯微鏡產品質量進行控制主要依據國家標準GB/T 2985-2008生物顯微鏡，此標準對各部件的性能參數提出了相應要求，并對生物顯微鏡整體的性能指標進行了考量[1]。目前，對顯微鏡的質量控制僅依據生物顯微鏡整體的性能指標，而未對各部件的性能參數做為強制要求。因此，生物顯微鏡整體的質量狀態能否代表其各個部件的質量狀態，是否需要執行部件的相關標準對其質量加以控制是目前醫療器械檢驗機構和監管部門所面臨的共同課題。本研究以國家標準(GB/T 2985-2008)為出發點，分析其與各光學部件標準之間的內在聯系，理解分析各光學部件的主要質量控制參數及意義，提出生物顯微鏡質量控制工作方略，為生物顯微鏡的質量監督提供技術支撐[2-3]。

1 對國家標準“生物顯微鏡”的解析

1.1 GB/T 2985-2008基本參數要求

國家標準“GB/T 2985-2008生物顯微鏡”中先后引用了9個與顯微鏡部件相關的標準內容[4-12]。GB/T 2985-2008中第3部分“分類及基本參數”中對顯微鏡部件的一些重要性能參數提出了相應的要求，但這些要求未被列入到標準的第4部分“要求”中，這些要求并非是對生物顯微產品的檢測要求，而是用來約束生產商在生產光學部件時需滿足的要求(見表1)。

1.2 GB/T 2985-2008標準檢測要求

標準GB/T 2985-2008的“4要求”主要是對生物顯微鏡整體的質量要求，其與各部件標準既有交叉又有不同，表2中主要列出了交叉部分內容所對應的條款(見表2)。

表1和表2顯示，涉及到的顯微鏡標準是一個非常龐大的體系，而GB/T 2985-2008中第4章的內容雖然對整體和部件的性能都有體現，但未被考量的項目對顯微鏡性能的影響還需做進一步的討論。

表1 GB/T 2985-2008標準基本參數要求

表2 GB/T 2985與各部件標準的相關關系

2 部件主要質量控制指標及意義

標準中，在未被強制要求的部件性能中，有許多參數對整體性能有著極其重要的影響，因此標準GB/T 2985-2008將生物顯微鏡整體的性能體現在其中。但就目前各個檢驗機構的質量控制情況，這些指標并未納入質量控制范疇。本研究將以物鏡、目鏡和聚光鏡的典型指標為例，論證這些指標在顯微系統中的關鍵作用，為是否將部件指標納入質量控制范疇提供指導。

2.1 物鏡的數值孔徑

物鏡安裝在鏡筒下端靠近被檢物體，其作用是將被檢物體做第一次放大。物鏡質量的優劣主要是由物鏡的數值孔徑(NA)、分辨率、放大率和齊焦距離等光學參數決定。數值孔徑用NA表示，其等于物鏡前透鏡與被檢物體之間介質的折射率(η)和孔徑角(u)半數的正玄之乘積，即公式1：

數值孔徑是用來表征物鏡對光線收集能力的大小，物鏡對物體上各點的光線收集的越多，成像質量就越好。分辨率是指能夠分辨的兩物體之間的最小距離，通常用公式2表示：

式中：λ為使用的波長；NA為物鏡的數值孔徑。

公式(2)顯示，數值孔徑NA值越大，分辨率越高，表明顯微鏡的分辨能力越強。然而在標準GB/T 2985-2008中，對物鏡的放大率進行了考量，并未對物鏡數值孔徑這一重要參數做任何要求，僅對數值孔徑值在不同范圍的物鏡的成像清晰范圍進行了考量，那么，在數值孔徑準確性未知的情況下，去考量物鏡的成像清晰范圍，其結果的說服力有待商榷。而數值孔徑與物鏡的其他技術參數有著密切的關系，幾乎決定和影響著其他各項參數。數值孔徑直接決定了物鏡的分辨率，并與物鏡的放大率成正比，與焦深成反比，視場寬度與工作距離也會隨NA值的增大而相應地變小。可見，數值孔徑作為物鏡的主要質量控制參數是衡量顯微鏡成像質量優劣的重要指標，因此應考慮將物鏡的數值孔徑納入質量控制范圍[13]。

2.2 物鏡的齊焦距離偏差

生物顯微鏡可通過轉換不同倍率的物鏡以達到預期的觀察效果。目前，市場上各生產企業的顯微鏡只能配用自己生產的物鏡，彼此之間的物鏡不兼容。生產企業在申報注冊時注冊單元中往往不止是一臺配備完整的顯微鏡，有時會附有一些不同倍率的物鏡，而在注冊檢驗時標準只要求對顯微鏡整體的指標進行檢測，這時就會給檢驗帶來很多困擾。如標準中的“4.3物鏡齊焦”要求在使用物鏡轉換器換用不同倍率的物鏡時，各物鏡要齊焦，這一條款考量的是各物鏡與轉換器之間的機械配合情況。在實際檢測工作中，對于附有多個物鏡部件的生物顯微鏡，即便物鏡倍率相同，也應對每個物鏡進行此條款的檢測，以驗證整體質量是否符合標準要求。然而，若對同一倍率的物鏡逐一進行此條的檢測，將會極大增加檢測工作量，進而產生龐大的檢驗數據。如按照標準GB/T 2609-2007中“5.5物鏡齊焦距離”的要求對每個物鏡的齊焦距離進行檢測，如果都符合要求，在檢測標準GB/T 2985-2008中的4.3條時相同倍率的物鏡則可選擇一個有代表性的進行檢測，如此既對物鏡的質量進行了控制，又解決了檢測工作數據量大的難題。

物鏡作為生物顯微鏡的主要光學部件，有著其重要的地位與作用，而決定物鏡性能優劣的重要參數直接影響著顯微鏡整體的質量。因此，在對生物顯微鏡質量進行控制的同時應考慮增加物鏡部件的質量控制[14]。

2.3 目鏡的齊焦距離偏差

顯微鏡目鏡是將物鏡放大的中間像進行二次放大，使放大后的虛像成像在人眼的明視距離處。目鏡的作用相當于放大鏡，只是起放大作用，不會提高顯微鏡的分辨率，對于物鏡不能分辨出的細微結構，即便經過高倍目鏡的再放大，也仍然不能看清楚。放大率和齊焦距離是目鏡的重要質量控制參數，在GB/T 2985-2008中，不僅對目鏡的放大率進行了考量，同時還對雙目顯微鏡左右兩大系統的放大率差進行了控制。然而，對于雙目顯微鏡而言，兩只目鏡的焦距應該相同或相對焦距誤差應在可接受的范圍內，才會使觀測者的兩眼能同時看到清晰而倍率相同的像。倘若兩只目鏡的相對焦距誤差極大，依靠人眼的機能調節來改善觀測圖像的質量，不僅會引起視覺疲勞，還會影響觀察效果。因此，不僅應對顯微鏡目鏡的放大率進行控制，同時還應將目鏡的齊焦距離偏差納入質量控制的范圍內。

2.4 聚光鏡的數值孔徑

聚光鏡裝在載物臺的下方，其作用是將光源射出的光線匯聚成光錐照射在被檢物體上，形成適宜的光錐角度，增強照明度以得到最好的照明效果。數值孔徑(NA)值是聚光鏡的主要參數，與顯微鏡的分辨率密切相關。如果聚光鏡的數值孔徑低于物鏡的數值孔徑，物鏡的部分數值孔徑則不起作用，從而不能達到其最高分辨力；如果聚光鏡的數值孔徑大于物鏡的數值孔徑，反而會由于照明光束過寬，使物像的清晰度下降，達不到規定的分辨能力。因此，為了充分利用物鏡的數值孔徑，提高其分辨能力，聚光鏡的數值孔徑應與所用物鏡的數值孔徑相匹配，應等于或稍大于物鏡的數值孔徑，以確保聚光鏡發來的光束能充滿物鏡的孔徑角，可進行更精細的觀察，提高圖像的分辨率。聚光鏡對顯微鏡成像性能有較大影響，但在日常使用及質量監管中往往處于被忽視的地位。在標準GB/T 2985-2008中，只對聚光鏡的密封性及光照均勻性等指標進行了考量，并未對影響光學性能的數值孔徑進行要求。鑒于聚光鏡在生物顯微鏡成像過程中的重要作用，應考慮將其納入質量控制的范圍內[15]。

3 結論

在顯微鏡三大光學部件標準中涉及了大量的光學檢測裝置，并對各自的精度做了相應的要求，但目前市場上并無成熟的檢測裝置出售，加工精度能達到標準要求的制造商較為罕見，而各檢測機構之間的檢測能力和研究水平差距相對懸殊，各自研發出的檢測設備無法統一，設備的溯源乃是一大難題。檢測設備的缺乏不僅給檢測機構的質量監督工作帶來困擾，還給企業的自檢造成了阻礙。上述諸多問題是造成顯微鏡部件遲遲未參與質量控制的重要因素。然而，三大光學部件的主要質量控制參數對控制生物顯微鏡的質量發揮著重要的作用，應考慮將其納入質量控制的范疇。實現這一目標需要：①質量控制機構配合檢驗技術的發展，逐步拓展技術指標的指控要求，以便對生物顯微鏡的生產質量進行更全面的控制；②檢測機構需集中力量共同承擔研發一套高質、高效的檢測裝置的重任，以突破技術限制，實現對生物顯微鏡的質量做到有效監督，同時也可為企業自檢工作提供保障。物鏡、目鏡和聚光鏡是決定生物顯微鏡產品質量優劣的主要組成部分，對其質量實施有效控制尤為重要。

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[9]中國國家標準化管理委員會.GB/T 22057.1-2008，顯微鏡相對機械參考平面的成像距離[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2008-06-20.

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[15]申萍香，劉玉江，周靈貴.生物顯微鏡照明系統的改進和探索[J].數理醫藥學雜志，2012(25)1：92-93.

Quality control research of biological microscope

SHAO Yu-bo, MENG Xiang-feng, LIU Yan-zhen, et al// China Medical Equipment,2015,12(1):13-16.

Objective: To provide technical supports and references for the quality control of biological microscope. Methods: It described the main quality control parameters of objectives, eyepieces and condensers on the base of GB/T 2985-2008 biological microscope standard, and discussed the importance and necessity of these parameters, at the same time, analyzed the existing problems, and putted forward some suggestions for the next step quality control works. Results: The optical parameters of objective lens numerical aperture, condenser numerical aperture, lens and eyepiece focal distance error directly affected the imaging quality of the microscope. Conclusion: The major quality parameters of three large optical components played an important role in quality control of biological microscope, considerations should be given to include them in the category of quality control.

Biological microscope; Objectives; Oculars; Condensers; Optical components; Quality control

邵玉波,女,(1977- ),碩士，工程師。中國食品藥品檢定研究院，從事有源醫療器械檢驗以及實驗室綜合業務管理工作。

1672-8270(2015)01-0013-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.004

2014-10-14

國家科技支撐計劃(2012BAI22B04)“有源醫療器械質量評價與安全”①中國食品藥品檢定研究院 北京 100050

*通訊作者：fuqiangyuan@nicpbp.org.cn