美國(guó)熒光激光雙光子顯微鏡圖像對(duì)比度

雙光子的來(lái)源:飛秒激光的雙光子吸收理論早在1931年就由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者M(jìn)ariaGoeppertMayer提出，并在30年后因?yàn)榧す舛玫綄?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但WinfriedDenk用了近30年才發(fā)明了雙光子顯微鏡。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，首先要理解非線性過(guò)程。雙光子吸收相當(dāng)于和頻產(chǎn)生的非線性過(guò)程，需要極高的電場(chǎng)強(qiáng)度，電場(chǎng)取決于聚焦光斑的大小和激光脈沖寬度。聚焦光斑越小，脈沖寬度越窄，雙光子吸收效率越高。對(duì)于衍射極限顯微鏡，聚焦在樣品上的光斑大小只與物鏡NA和激光波長(zhǎng)有關(guān)，所以關(guān)鍵變量只有激光脈沖寬度。基于以上分析，能夠輸出高重復(fù)率(100MHz)的超短脈沖(100fs量級(jí))的飛秒激光已經(jīng)成為雙光子顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)光源。這再次顯示了雙光子顯微鏡的優(yōu)勢(shì):雙光子吸收只能在焦平面形成，而在焦平面之外，由于光強(qiáng)較低，無(wú)法激發(fā)，所以雙光子成像更清晰。雙光子顯微鏡使用方法是什么？美國(guó)熒光激光雙光子顯微鏡圖像對(duì)比度

臨研所、病理科和科研處邀請(qǐng)北京大學(xué)王愛(ài)民副教授在2020年12月22日做了題目為“新一代微型雙光子顯微成像系統(tǒng)介紹及其在臨床醫(yī)療診斷”的學(xué)術(shù)報(bào)告。學(xué)術(shù)報(bào)告由臨研所醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)潘琳老師主持。王愛(ài)民，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授，畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，獲學(xué)士、碩士學(xué)位，后于英國(guó)巴斯大學(xué)物理系獲博士學(xué)位。該研究組研發(fā)的微型雙光子顯微鏡，第1次在國(guó)際上獲得了小鼠大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸清晰穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)信號(hào)，該成果獲得了2017年度“中國(guó)光學(xué)進(jìn)展”和“中國(guó)科學(xué)進(jìn)展”，并被NatureMethods評(píng)為2018年度“年度方法--無(wú)限制行為動(dòng)物成像”。目前，該研究組正在研究新一代雙光子顯微成像技術(shù)在臨床診斷中的應(yīng)用，為未來(lái)即時(shí)病理、離體組織檢測(cè)、術(shù)中診斷等提供新型的影像手段和分析方法。國(guó)內(nèi)ultima雙光子顯微鏡掃描深度由于其非侵入性和高分辨率的特點(diǎn)，雙光子顯微鏡成為了研究神經(jīng)科學(xué)、ai癥研究、免疫學(xué)等領(lǐng)域的重要工具。

隨著技術(shù)的發(fā)展，雙光子顯微鏡的性能不斷優(yōu)化。結(jié)合其特點(diǎn)，大致可以分為兩個(gè)方面:深入和主動(dòng)改進(jìn)。為了使激發(fā)激光進(jìn)入更深的層次，可以從器件優(yōu)化和標(biāo)本改造兩個(gè)方面入手。關(guān)于器件的優(yōu)化，我們可以把激光束做得更細(xì)，集中能量，讓激光穿透得更深。對(duì)于樣品，物質(zhì)的吸收和散射是影響光傳播的主要因素。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要將樣本透明化。一種方法是用某種物質(zhì)浸泡標(biāo)本，使其中的物質(zhì)(主要是脂質(zhì))被破壞或溶解。另一種方法是通過(guò)電泳電解脂類(lèi)，從而提高標(biāo)本的“透明度”。

通過(guò)對(duì)顯微光學(xué)系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)，將FHIRM-TPM2.0的成像視場(chǎng)擴(kuò)展至420×420平方微米，顯微物鏡的工作距離擴(kuò)展至1mm，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)成像。嵌入可拆卸的快速軸向掃描模塊，實(shí)現(xiàn)深度180微米的三維體成像和多平面快速切換的實(shí)時(shí)成像。該模塊由一個(gè)快速電動(dòng)變焦鏡頭和一對(duì)中繼鏡頭組成，在不同深度成像時(shí)保持放大率恒定。其中，變焦模塊重1.8克，科研人員可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自由拆卸。此外，新型微型成像探頭可以瞬間插拔，極大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，避免了長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)物的干擾。反復(fù)裝卸探針追蹤同批神經(jīng)元時(shí)，視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角度小于0.07弧度，邊界偏差小于35微米。微型雙光子顯微鏡的優(yōu)勢(shì)是。

使用雙光子顯微鏡可以以亞細(xì)胞分辨率對(duì)鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器成像，從而測(cè)量不透明大腦深處的活動(dòng)；成像膜電壓變化能直接反映神經(jīng)元活動(dòng)，但神經(jīng)元活動(dòng)的速度對(duì)于常規(guī)的2PM來(lái)說(shuō)太快。目前電壓成像主要通過(guò)寬場(chǎng)顯微鏡實(shí)現(xiàn)，但它的空間分辨率較差并且只是于淺層深度。因此要在不透明的大腦中以高空間分辨率對(duì)膜電壓變化進(jìn)行成像，需要較提高2PM的成像速率。FACED模塊輸出處的子脈沖序列可以看作從虛擬光源陣列發(fā)出的光，這些子脈沖在中繼到顯微鏡物鏡后形成了一個(gè)空間上分離且時(shí)間延遲的焦點(diǎn)陣列。然后將該模塊并入具有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)雙光子熒光顯微鏡中，如圖2所示。光源是具有1MHz重復(fù)頻率的920nm的激光器，通過(guò)FACED模塊可產(chǎn)生80個(gè)脈沖焦點(diǎn)，其脈沖時(shí)間間隔為2ns。這些焦點(diǎn)是虛擬源的圖像，虛擬源越遠(yuǎn)，物鏡處的光束尺寸越大，焦點(diǎn)越小。光束沿y軸比x軸能更好地充滿物鏡，從而導(dǎo)致x軸的橫向分辨率為0.82μm，y軸的橫向分辨率為0.35μm。雙光子顯微鏡廠家就找滔博生物。進(jìn)口布魯克雙光子顯微鏡圖像對(duì)比度

雙光子顯微鏡能夠進(jìn)行指標(biāo)成像；美國(guó)熒光激光雙光子顯微鏡圖像對(duì)比度

從雙光子的原理和特點(diǎn)我們就可以明顯的得出雙光子的優(yōu)點(diǎn)：☆光損傷?。河捎陔p光子顯微鏡使用的是可見(jiàn)光或近紅外光作為激發(fā)光源，這一波段的光對(duì)細(xì)胞和組織的光損傷小，適用于長(zhǎng)時(shí)間的研究；☆穿透能力強(qiáng)：相對(duì)于紫外光，可見(jiàn)光和近紅外光都具有更強(qiáng)的穿透能力，因而受生物組織散射的影響更小，解決對(duì)生物組織中深層物質(zhì)的層析成像研究問(wèn)題；☆高分辨率：由于雙光子吸收截面很小，只有在焦平面很小的區(qū)域內(nèi)可以激發(fā)出熒光，雙光子吸收局限于焦點(diǎn)處的體積約為波長(zhǎng)3次方的范圍內(nèi)；☆漂白區(qū)域?。河捎诩ぐl(fā)只存在于交點(diǎn)處，所以焦點(diǎn)以外的區(qū)域都不會(huì)發(fā)生光漂白現(xiàn)象；☆熒光收集率高：與共聚焦成像相比，雙光子成像不需要光學(xué)濾波器（共焦），這樣就提高了對(duì)熒光的收集率，而收集率的提高直接導(dǎo)致圖像對(duì)比度的提高；☆圖像對(duì)比度高：由于熒光波長(zhǎng)小于入射波長(zhǎng)，因而瑞利散射產(chǎn)生的背景噪聲只有單光子激發(fā)時(shí)的1/16，降低了散射的干擾；☆光子躍遷具有很強(qiáng)的選擇激發(fā)性，所以可以對(duì)生物組織中一些特殊物質(zhì)進(jìn)行成像的研究；美國(guó)熒光激光雙光子顯微鏡圖像對(duì)比度