双光子显微镜基本参数
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双光子显微镜企业商机

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)。双光子显微镜的基本原理是:在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收 2 个长波长的光子。国外ultima双光子显微镜分辨率

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双光子显微镜的优势:在深度组织中以较长时间对活细胞成像,双光子显微镜是当前之选。双光子和共聚焦显微镜都是通过激光激发样品中的荧光标记,使用探测器测量被激发的荧光。但是,共聚焦一般使用单模光纤耦合激光器,通过单光子激发荧光,而双光子使用飞秒激光器,通过几乎同时吸收两个长波光子激发荧光。下面是两种技术的对比图。双光子激发荧光的主要优势:双光子比共聚焦使用的更长的波长,所以对组织的损伤更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般为100微米,双光子则能达到250到500微米,甚至超过1毫米。另外,同时吸收两个光子意味只有度聚焦点处能被激发,所以不会损伤焦平面之外的组织,并且生成更清晰的图像。进口双光子显微镜磷光寿命计数显微成像技术包含:双光子显微镜、宽场荧光显微镜、共聚焦显微镜、全内反射荧光显微镜等多种成像方式。

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在2020年12月22日,临研所、病理科和科研处邀请北京大学王爱民副教授做了题目为“新一代微型双光子显微成像系统介绍及其在临床医疗诊断”的学术报告。学术报告由临研所医学实验研究平台潘琳老师主持。王爱民,北京大学信息科学技术学院副教授,毕业于北京大学物理系,获学士、硕士学位,后于英国巴斯大学物理系获博士学位。该研究组研发的微型双光子显微镜,第1次在国际上获得了小鼠大脑神经元和神经突触清晰稳定的动态信号,该成果获得了2017年度“中国光学进展”和“中国科学进展”,并被Nature Methods评为2018年度“年度方法--无限制行为动物成像”。目前,该研究组正在研究新一代双光子显微成像技术在临床诊断中的应用,为未来即时病理、离体组织检测、术中诊断等提供新的影像手段和分析方法。

由于具有较高输出功率的光源可以提高成像速度,在我们的实验中,时间分辨率主要是受OPO输出可见光激光功率的限制。尽管在单点扫描系统中,v2PE激发会使得空间分辨率提高,但多聚焦v2PE显微镜具有与1PE多聚焦显微镜近乎相同的横向分辨率,这主要是多聚焦成像和单点扫描技术之间的差异造成的。由于v2PE的激发体积小于1PE,引入图像扫描技术可以进一步提高空间分辨率,这种技术需要通过在阵列前引入额外的微透镜阵列来实现。除此之外,由于可见光区域的共振效应,可能会产生光漂白,因而为了延长观察时间,系统还需要对激发强度和曝光时间做进一步优化。双光子显微镜角膜成像。

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双光子之源:飞秒激光:双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主MariaGoeppertMayer提出,30年后因为有了激光才得到实验验证,但是到WinfriedDenk发明双光子显微镜又用了将近30年。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用,首先要了解其中的非线性过程。双光子吸收相当于和频产生非线性过程,这要求极高的电场强度,而电场取决于聚焦光斑大小和激光脉宽。聚焦光斑越小,脉宽越窄,双光子吸收效率越高。对于衍射极限显微镜,聚焦在样品上的光斑大小只和物镜NA和激光波长有关,所以关键变量只剩下激光脉宽。基于以上分析,能够以高重频(100MHz)输出超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光器成了双光子显微镜的标准激发光源。这也再次说明双光子显微镜的优势:只有焦平面处才能形成双光子吸收,而焦平面之外由于光强低无法被激发,所以双光子成像更清晰。WinfriedDenk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。双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。进口双光子显微镜磷光寿命计数

双光子显微镜中,同样每个时刻只有焦平面上一个点的信号被探测,并且连焦平面外的荧光信号也不会有。国外ultima双光子显微镜分辨率

双光子荧光显微镜是结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术。双光子激发的基本原理是:在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收2个长波长的光子,在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后,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。双(多)光子成像优势在于,具有更深的组织穿透深度,利用红外光,能够在层面检测极限达1mm的组织区域;因信号背景比高,而具有更高的对比度;因激发体积小,具有定点激发的特性,具有更少的光毒性;激发波长由紫外、可见光调整为红外激发,能够更加安全。国外ultima双光子显微镜分辨率

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新型双光子显微镜带有的超高灵敏度的直接探测器能记录组织深层**细微的内部结构。多达7个的外置通道以及光谱拆分软件充分支持多色的多光子实验。再结合高速12kHz扫描头和比较大扫描视野,将轴向位移减至**小,有效地收集来自深层组织的微弱光子,使图像更明亮,将对标本的光毒性减至**小。
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