雙光子顯微鏡是激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)。雙光子激發(fā)的基本原理是:在光子密度較高的情況下,熒光分子可以同時吸收兩個波長較長的光子,經(jīng)過短暫的所謂激發(fā)態(tài)壽命后,發(fā)射一個波長較短的光子;效果和用波長為長波長一半的光子激發(fā)熒光分子是一樣的。雙(多)光子成像的優(yōu)點是具有更深的組織穿透深度,紅外光可以在平面上探測到極限為1mm的組織區(qū)域;因為信號背景比高,所以具有更高的對比度;由于激發(fā)體積小,具有定點激發(fā)、光毒性小的特點;激發(fā)波長由紫外、可見光調(diào)整為紅外激發(fā),更加安全。雙光子顯微鏡的基本原理是:在高光子密度的情況下,熒光分子可以同時吸收 2 個長波長的光子。美國2PPLUS雙光子顯微鏡廠家
由于具有較高輸出功率的光源可以提高成像速度,在我們的實驗中,時間分辨率主要是受OPO輸出可見光激光功率的限制。盡管在單點掃描系統(tǒng)中,v2PE激發(fā)會使得空間分辨率提高,但多聚焦v2PE顯微鏡具有與1PE多聚焦顯微鏡近乎相同的橫向分辨率,這主要是多聚焦成像和單點掃描技術(shù)之間的差異造成的。由于v2PE的激發(fā)體積小于1PE,引入圖像掃描技術(shù)可以進一步提高空間分辨率,這種技術(shù)需要通過在陣列前引入額外的微透鏡陣列來實現(xiàn)。除此之外,由于可見光區(qū)域的共振效應(yīng),可能會產(chǎn)生光漂白,因而為了延長觀察時間,系統(tǒng)還需要對激發(fā)強度和曝光時間做進一步優(yōu)化。美國2PPLUS雙光子顯微鏡雙光子顯微鏡已延伸到各個領(lǐng)域研究中,它能對樣品進行三維觀察。
雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎得主提出,30年后因為有了激光才得到實驗驗證,但是到WinfriedDenk發(fā)明雙光子顯微鏡又用了將近30年。要理解雙光子的技術(shù)挑戰(zhàn)和飛秒激光發(fā)揮的重要作用,首先要了解其中的非線性過程。雙光子吸收相當(dāng)于和頻產(chǎn)生非線性過程,這要求極高的電場強度,而電場取決于聚焦光斑大小和激光脈寬。聚焦光斑越小,脈寬越窄,雙光子吸收效率越高。對于衍射極限顯微鏡,聚焦在樣品上的光斑大小只和物鏡NA和激光波長有關(guān),所以關(guān)鍵變量只剩下激光脈寬。基于以上分析,能夠以高重頻(100MHz)輸出超短脈沖(100fs量級)的飛秒激光器成了雙光子顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)光源。這也再次說明雙光子顯微鏡的優(yōu)勢:只有焦平面處才能形成雙光子吸收,而焦平面之外由于光強低無法被激發(fā),所以雙光子成像更清晰。WinfriedDenk初使用的光源是染料飛秒激光器(100fs脈寬、630nm可見光波長)。雖然染料激光器對于實驗室演示尚可,但是使用很不方便所以遠未實現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標(biāo)配光源就變成了飛秒鈦寶石激光器。除了固態(tài)光源優(yōu)勢,鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長調(diào)諧范圍,而近紅外相比可見光穿透更深,對生物樣品損傷更小。
雙光子技術(shù)在醫(yī)療診斷應(yīng)用中具有巨大的潛力,需要系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)研究與龐大的醫(yī)療數(shù)據(jù)加以支撐,通過研究人體基于多光子成像技術(shù),進行細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生化成分、微環(huán)境、組織形態(tài)、代謝功能的影響信息,找到與疾病的細(xì)胞學(xué)、分子生物學(xué)、組織病理學(xué)、診斷和特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系,共同探究生理病理基礎(chǔ)和分子細(xì)胞生物學(xué)機制,篩選鑒定、皮膚病、自身免疫病及其他疑難疾病的診斷及鑒別診斷依據(jù),建立全新的多光子細(xì)胞診斷的完整數(shù)據(jù)庫,定義出針對不同疾病的多光子臨床檢測設(shè)備的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。討論環(huán)節(jié),來自病理科、呼吸中心、心臟科、神經(jīng)科、皮膚科及研究所的多位醫(yī)師及研究人員紛紛結(jié)合各自的工作領(lǐng)域與王愛民副教授展開了熱烈的討論,其中毛發(fā)中心楊頂權(quán)主任計劃再次邀請王愛民副教授進行學(xué)術(shù)交流。雙光子顯微鏡還可以對一些具有特性的染料細(xì)胞進行實驗,還有一些短波長可以利用雙光子特性進行特定實驗。
TOPTICAFemtoFiberultra920超快光纖激光器是一種易于操作和免維護的激光系統(tǒng)其輸出波長為920nm,非常適合常規(guī)熒光基團(如GFP、eGFP、曙紅、GCaMP、CFP、鈣黃綠素或金星)的雙光子激發(fā)。它可以為熒光基團提供相對較高的峰值功率,常用于神經(jīng)科學(xué)和其他與激光相關(guān)的光子學(xué)。此外,其獨特的設(shè)計(簡單和經(jīng)濟的光源)具有創(chuàng)新雙光子熒光顯微鏡發(fā)展的潛力。在雙光子顯微鏡中,峰值功率就是亮度!如果你想獲得更好的圖像亮度,那么你需要短脈沖,高功率,更重要的是,干凈的時間脈沖形狀。FemtoFiberultra920具有足夠高的輸出功率、短脈沖、獨特的Clean-Pulse技術(shù)和相對較高的峰值功率,這使得在雙光子顯微鏡中實現(xiàn)****亮度而無需對樣品進行不必要的加熱成為可能。FemtoFiberultra920全包式、完全集成的色散補償(可確保樣品處的短脈沖)、內(nèi)置電源控制、直觀的操作及其堅固緊湊的設(shè)計使系統(tǒng)具有非常友好的用戶體驗,是非線性顯微鏡應(yīng)用的良好解決方案。例如,熒光蛋白的雙光子激發(fā)和基于SHG的對比機制微型雙光子顯微鏡的優(yōu)勢是。美國熒光激光雙光子顯微鏡圖像對比度
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從雙光子的原理和特點,我們可以清楚地得出雙光子的優(yōu)點:☆光損傷小:由于雙光子顯微鏡采用可見光或近紅外光作為激發(fā)光源,因此該波段的光對細(xì)胞和組織的光損傷很小,適合長期研究;☆穿透能力強:與紫外光相比,可見光和近紅外光的穿透能力更強,因此受生物組織散射的影響更小,解決了生物組織深層物質(zhì)的層析成像問題;☆高分辨率:由于雙光子吸收的截面很小,只能在焦平面很小的區(qū)域激發(fā)熒光,雙光子吸收被限制在焦點處體積約為波長三次方的范圍內(nèi);☆漂白區(qū)域小:由于激發(fā)只存在于交點處,焦點外的區(qū)域不會發(fā)生光漂白;☆熒光收集率高:與共焦成像相比,雙光子成像不需要濾光片(共焦),提高了熒光收集率,直接導(dǎo)致圖像對比度的提高;☆圖像對比度高:由于熒光波長小于入射波長,瑞利散射產(chǎn)生的背景噪聲*為單光子激發(fā)產(chǎn)生的1/16,減少了散射的干擾;光子躍遷具有很強的選擇性激發(fā),因此可以用來對生物組織中的一些特殊物質(zhì)進行成像;美國2PPLUS雙光子顯微鏡廠家