【科协 | 科普 】双光子显微镜：显微镜家族的隐秘“功臣”2017年10月4日，诺贝尔化学奖颁给了Jacques Dubochet、Joachim Frank 和 Richard Henderson，获奖理由是“研发冷冻电子显微镜，用于测定溶液中生物大分子高分辨率结构”。纵观整个科学史，显微镜技术的运用与发展是科学技术进步的重要一环，其中除了上面提到的冷冻电镜，其实还有一位“大功臣”——双光子显微镜。
这位“大功臣”的原理是什么？它是如何在显微镜领域做出巨大贡献的？具体又有怎样的现实应用呢？下面就给大家介绍一下~ 双光子显微镜将得到更大的发展与更广的应用。美国双光子显微镜联系方式
参考维基百科 Near-infrared window in biological tissue，生物组织在近红外波段存在两个窗口,第1个近红外窗口对应波长在700nm-900nm,第二个近红外窗口对应波长在1000nm-1400nm之间。举例说明就是单晶硅对于可见光几乎是不透明的，但是对于红外波段就像是“水晶”一样通透性很好了。
因为组织对可见光区域的较强吸收和散射带来两个严重的问题
第1个是激发光的减弱，
第二个就是另外就是由于物镜本身光的光学特性，单光子激发的背景较强，所以才有共聚焦系统提高成像的分辨率；
刚好双光子在这两点具有很大的优势上面的内容基本在谈到双光子优势都会相对说明，
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
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综上，FHIRM-TPM 2.0扩大了微型双光子显微镜的适用性和实用性，使神经科学家能够更自由地探索更多新的行为范式，包括身体运动、长时程的复杂过程，如学习和记忆，社会互动和恐惧条件反射，甚至是慢性疾病的进展和老化，如神经发生和再生，疾病进展和衰老，以破译大脑的奥秘。在一批“早鸟项目”中，该系统已被多个研究组应用于不同的模式动物和行为范式，如小鼠的社交新颖性识别、斑胸草雀受***调控后大脑特定神经元变化、新型神经递质乙酰胆碱探针的传导适应性分析以及猕猴三脑区成像等多项研究。依托两代微型化双光子成像技术，该团队还在南京市江北新区建立了规模化高通量脑功能成像的南京脑观象台（Nanjing Brian Observatory），于2020年12月10日举办了落成典礼。通过与世界范围内的神经科学家进行广合作，脑观象台现正在服务三十多个科研项目，成为开展大型脑科学问题研究的重要科研服务平台。
和很多伟大的科学发明一样，双光子显微镜的出现也有一点偶然，但正是那瞬间的灵感为生物科学尤其是神经科学带来了一种**性的成像技术：双光子激发荧光显微镜。
1990年初，当Winfried Denk刚从康奈尔大学博士毕业准备前往瑞士读博后时，他看了一本关于激光扫描显微镜的书，从中了解到非线性光学效应——强光和物质的相互作用。当时，Denk有同事研究生物样品中的钙离子但苦于没有强大的紫外激光器和光学元件，于是他就想到如果使用双光子吸收就能够绕开紫外，换言之，与其通过一个紫外光子激发标记的钙离子，通过两个双倍波长的可见光光子也能激发相同的荧光。 双光子显微镜在组织透明化成像中应用；
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)。双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为光源；国外激光双光子显微镜原理
成像平台倒置双光子显微镜启用显微镜自带调焦设备；美国双光子显微镜联系方式
经过几十年的发展，我国已经成为世界上第二大仪器仪表制造国，仪器仪表产业形成了一定的规模，仪器仪表产品也比较丰富。目前，nVista，nVoke，3D bioplotte，invivo等产品的产量居世界前列，实验分析仪器等中产品的市场占比不断上升，行业技术上总体已达到的中等国际水平，少数产品接近或达到当前较高国际水平。目前我国生物科技，医药科技领域内的技术开发、技术咨询、技术服务、技术转让，实验室设备、仪器仪表、医疗器械、计算机、软件及辅助设备销售，计算机数据处理，货物及技术进出口业务。 成像平台： 1. Inscopix自由活动超微显微成像系统 2. DiveScope多通道内窥镜系统 3. 双光子显微镜 动物行为学平台： 1. PiezoSleep无创睡眠检测系统 2. 自身给药、条件恐惧、斯金纳、睡眠剥夺、跑步机、各类经典迷宫等 神经电生理： 1.NeuroNexus神经电极 2.多通道电生理信号采集系统 3.膜片钳系统 4.AO功能神经外科临床电生理平台 显微细胞： 1. UnipicK单细胞挑选及显微切割系统 科研/临床级3D打印 1. 德国envisionTEC 3D Bioplotter生物打印机 2. 韩国Invivo医疗级生物打印机等。产品，主要集中在中低档市场，而市场则主要被国外品牌所占据。在某些领域，国产产品甚至是空白，这就需要未来我国仪器仪表向市场进军，扩大产品占比。尽管在我国相关政策的引导和支持下，我国仪器仪表行业得到了飞速发展。但是从销售整体上看，我国的仪器仪表行业还是落后于国际水平的。重点技术缺乏、高精尖产品严重依赖进口、仪器仪表产品同质化严重、生产工艺落后、研发能力弱、精度不高等问题的凸显，为仪器仪表行业的发展带来了严峻的挑战。美国双光子显微镜联系方式
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