随着技术的发展,双光子显微镜的性能得到不断地优化,结合它的特点,大致可以分成深和活两个方面的提升。要想让激发激光进入更深的层面,大致可从两个方面入手,装置优化与标本改造。关于装置优化,我们可以把激光束变得更细,使能量更加集中,就能让激光穿透更深。关于标本,其中影响光传播的主要是物质吸收和散射,解决这个问题,我们需要对样本进行透明化处理。一种方法是运用某种物质将标本浸泡,使其中的物质(主要是脂质)被破坏或溶解。另一种方法是运用电泳将脂质电解,进而让标本“透明度”提高。双光子显微镜为什么穿透能力强?进口布鲁克双光子显微镜成像视野
WinfriedDenk较初使用的光源是染料飞秒激光器(100fs脉宽、630nm可见光波长)。虽然染料激光器对于实验室演示尚可,但是使用很不方便所以远未实现商用。很快双光子显微镜的标配光源就变成了飞秒钛宝石激光器。除了固态光源优势,钛宝石激光器还具有较宽的近红外波长调谐范围,而近红外相比可见光穿透更深,对生物样品损伤更小。下图是Thorlabs的双光子和三光子显微镜配置,钛宝石飞秒可调谐激光器位于平台较左边。从双光子到三光子科学家正在从双光子转向三光子显微镜。1996年,ChrisXu在康奈尔大学(Denk同导师实验室)读博期间发明了三光子显微镜,如果双光子吸收可行,那么三光子看起来也是自然的发展方向。三光子成像使用更长的波长,大约在1.3和1.7微米,其成像深度也比双光子更深,目前记录约为2.2毫米,人类大脑皮层厚约4毫米。相比双光子显微镜,三光子还要求以较低重频使用更强和更短的激光脉冲,而传统的钛宝石激光器难以达到这些要求,但是对于掺镱光纤飞秒光参量放大器则非常容易,比如我们的Y-Fi光参量放大器(OPA)。美国bruker双光子显微镜应用双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为光源。
在传统宽场显微镜中,来自标本不同纵深的光线都可投射到同一焦平面(感光元件)上,所以其成像是整个样品的重叠像,没有纵向分辨能力。单光子激光共聚焦显微镜用***有效滤除了杂散光,分辨率有了本质上的提高,拥有了对样品的特定焦平面精细成像的能力,可以进行三维成像、动态成像等。然而,***在滤除杂散光的同时也将大部分来自焦平面的荧光滤除了,只有很弱的荧光到达检测器。若要提高信号强度,需要加大激发光功率,这又会导致对活细胞的光毒性和荧光分子的光漂白增加。双光子显微镜比较大的优势来源于其双光子光源的非线性光学效应,与单光子共聚焦显微镜比较大的不同在于无须使用***限制光学散射,其具体优势如下。
刚好双光子在这两点具有很大的优势在实际操作中成像的深度和样品的关系很大,双光子成像利用高亮度的荧光标记材料,已经有做到mm级别的穿透深度HighqualitycellularTPimagingwithhighsignal-to-backgroundratio(>100)andtissueimagingwithapenetrationdepthof2200μmhavebeenachievedwithP-QDasprobe.ExtremelyHighBrightnessfromPolymer-EncapsulatedQuantumDotsforTwo-photonCellularandDeep-tissueImaging:ScientificReports:NaturePublishingGroup双光子显微镜在组织透明化成像中应用。
在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收两个长波长的光子,然后发射出一个波长较短的光子,其效果和使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分子是相同的如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH),在单光子激发时,在波长为350nm光的激发下发出450nm荧光;而在双光子激发时,可采用700nm的激发光得到450nm荧光。由于双光子激发需要很高的光子密度,为了不损伤细胞,双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量,从而可以减少光漂白和光毒性带来的不利影响。双光子显微镜在生物医学研究中有广泛的应用,可以观察细胞内的亚细胞结构、蛋白质分布、细胞活动等。国内双光子显微镜光损伤
双光子显微镜在各领域研究中已有许多成功实例。进口布鲁克双光子显微镜成像视野
使用基因编码的荧光探针可以在突触和细胞分辨率下监测体内神经元信号,这是揭示动物神经活动复杂机制的关键。使用双光子显微镜(2PM)可以以亚细胞分辨率对钙离子传感器和谷氨酸传感器成像,从而测量不透明大脑深处的活动;成像膜电压变化能直接反映神经元活动,目前电压成像主要通过宽场显微镜实现,但它的空间分辨率较差并且只是于浅层深度。因此要在不透明的大脑中以高空间分辨率对膜电压变化进行成像,需要较提高2PM的成像速率。FACED模块输出处的子脉冲序列可以看作从虚拟光源阵列发出的光,这些子脉冲在中继到显微镜物镜后形成了一个空间上分离且时间延迟的焦点阵列。然后将该模块并入具有高速数据采集系统的标准双光子荧光显微镜中,如图2所示。光源是具有1MHz重复频率的920nm的激光器,通过FACED模块可产生80个脉冲焦点,其脉冲时间间隔为2ns。这些焦点是虚拟源的图像,虚拟源越远,物镜处的光束尺寸越大,焦点越小。光束沿y轴比x轴能更好地充满物镜,进口布鲁克双光子显微镜成像视野