Winfried Denk较初使用的光源是染料飞秒激光器(100 fs脉宽、630 nm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。科学家正在从双光子转向三光子显微镜。1996年,Chris Xu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)。双光子显微镜观察到的现象证明了钙离子的增加依赖于肌体触发的钠离子作用电势。国外双光子显微镜授权供应商
Denk很快就将双光子显微镜用于神经元成像,而1997年在Svoboda测量完整老鼠大脑的锥体神经元的感官刺激诱导树突钙离子动态后,双光子显微镜的潜能开始完全凸显。值得一提的是,霍华德·休斯医学院Svoboda实验室和Thorlabs在2016年合作推出了一种强大的多光子介观显微镜,其成像视场达到5毫米,能够跨多个脑区进行高速功能成像。根据清华大学单一采购来源的**指导意见:这种显微镜的视场是普通双光子显微镜的10倍。30年来,双光子显微镜已成为较厚***生物组织三维成像中不可或缺的工具。从双光子到三光子甚至四光子,这种非线性成像技术通常也被统称为多光子显微镜。下图统计了自1990年以来每年发表的多光子显微镜文章数量,发展速度可见一斑。2PPLUS双光子显微镜的成像视野双光子显微镜能够进行光裂解、光转染和光损伤等光学操纵。
1.生物组织对红外光的吸收弱,对可见光吸收强。类似的,平时用手电筒照射手指,会看到手通透红亮,也是由于生物组织对长波长的红光吸收少。
2.生物组织对红外光的散射弱。因为瑞利散射的强度反比于波长λ的四次方。类似的,早晨的太阳非常红,也就是因为长波长的红光穿透力更强。
这两点共同导致长波长的红外光比可见光对生物组织的穿透能力强。与单光子显微镜(如共聚焦显微镜)相比,双光子显微镜可以使用约二倍波长的激光去激发荧光团。长波长光束散射程度低(Rayleigh Scattering),所以穿透能力强。
目前,世界各国的脑科学研究如火如荼,中国的脑计划也即将启动。其中,关于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究成为重点研究方向,而如何打破尺度壁垒,融合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的信息处理和个体行为信息,是领域内亟待解决的一个关键挑战。
2021年1月6日,由北京大学分子医学研究所牵头,联合北大信息科学技术学院电子学系、工学院以及中国人民******医学科学院等组成的跨学科团队,在Nature Methods在线发表题为 “Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane, and long-term brain imaging”的文章。文中报道了第二代微型化双光子荧光显微镜FHIRM-TPM 2.0,其成像视野是该团队于2017年发布的低1代微型化显微镜的7.8倍,同时具备三维成像能力,获取了小鼠在自由运动行为中大脑三维区域内上千个神经元清晰稳定的动态功能图像,并且实现了针对同一批神经元长达一个月的追踪记录。 双光子显微镜使用的是高能量锁模脉冲器。
双光子显微镜是结合了双光子激发技术和激光扫描共聚显微镜的一种新型荧光显微镜,其原理大致是这样的:
首先,让我们来看看什么是荧光显微镜。荧光显微镜是以紫外线为光源,照射被检物体上的荧光物质或是荧光染料,使其发出荧光。相比普通光学显微镜,荧光显微镜运用了波长更短的紫外线,再将可见光过滤掉,提高了分辨力率。而当被检物体过厚时,从不同深度发出的荧光都会打在物镜上,使观察到的像模糊、发虚,无法清楚的知道被检物体的结构。而激光扫描共聚显微镜就是在荧光显微镜的基础上,增加了激光扫描装置,从而解决了上述问题。
激光共聚扫描显微镜脱离了传统光学显微镜的场光源和局部平面成像模式,采用激光束作光源,激光束经照明孔,经由分光镜反射至物镜,并聚焦于样品上,对标本焦平面上每一点进行扫描。组织样品中的荧光物质受到刺激后发出的荧光经原来入射光路直接反向回到分光镜,通过探测孔时先聚焦,然后被光探头收集,转化为信号输送到计算机进行处理。这个装置能让通过探测***的只有焦平面上发出的荧光,使成像更为清晰准确,同时通过改变物镜的焦距,能对不同焦平面进行扫描,通过计算机绘出普通显微镜无法观测的三维图像。
双光子显微镜的探测器,该怎么选用?国外荧光双光子显微镜应用
双光子显微镜成像技术及不同转基因小鼠开展对多种脏器的成像研究。国外双光子显微镜授权供应商
高光子密度带来的高能量容易损伤细胞,所以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,其脉冲达到最大值所持续的周期只有十万亿分之一秒,而其频率可以达到80至100兆赫,这样即能达到双光子激发的高光子密度要求,又能不损伤细胞,使扫描能更好地进行。双光子显微镜
在各领域研究中已有许多成功实例
生物领域:贝尔实验室的Svoboda等人研究了大脑皮层神经元细胞内钙离子动力学情形。利用双光子显微镜观察到的现象证明了钙离子的增加依赖于肌体触发的钠离子作用电势。信息领域:美国科学家Rentzepis提出了一种在现有二维光盘的基础上将数据储存扩展到三维空间。由于双光子激发具有作用精细体积小的特点,避免了层与层之间的互相干扰,极大地提高了数据储存密度。 国外双光子显微镜授权供应商
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