國內雙光子顯微鏡最大分辨率

臨研所、病理科和科研處邀請北京大學王愛民副教授在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”的學術報告。學術報告由臨研所醫(yī)學實驗研究平臺潘琳老師主持。王愛民，北京大學信息科學技術學院副教授，畢業(yè)于北京大學物理系，獲學士、碩士學位，后于英國巴斯大學物理系獲博士學位。該研究組研發(fā)的微型雙光子顯微鏡，第1次在國際上獲得了小鼠大腦神經元和神經突觸清晰穩(wěn)定的動態(tài)信號，該成果獲得了2017年度“中國光學進展”和“中國科學進展”，并被NatureMethods評為2018年度“年度方法--無限制行為動物成像”。目前，該研究組正在研究新一代雙光子顯微成像技術在臨床診斷中的應用，為未來即時病理、離體組織檢測、術中診斷等提供新型的影像手段和分析方法。優(yōu)勢來源于其雙光子光源的非線性光學效應。國內雙光子顯微鏡最大分辨率

微型化雙光子熒光顯微成像改變了在自由活動動物中觀察細胞和亞細胞結構的方式，可用于在動物覓食、哺乳、跳臺、打斗、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，長時程觀察神經突觸、神經元、神經網絡、遠程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動態(tài)變化。該成果在2016年底美國神經科學年會、2017年5月冷泉港亞洲腦科學專題會議上報告后，得到包括多位諾貝爾獎獲得者在內的國內外神經科學家的高度贊譽。冷泉港亞洲腦科學專題會議、美國明顯神經科學家加州大學洛杉磯分校的AlcinoJSilva教授在評述中寫道，“從任何一個標準來看，這款顯微鏡都了一項重大技術發(fā)明，必將改變我們在自由活動動物中觀察細胞和亞細胞結構的方式。它所開啟的大門，甚至超越了神經元和樹突成像。系統(tǒng)神經生物學正在進入一個新的時代，即通過對細胞群體中可辨識的細胞和亞細胞結構的復雜生物學事件進行成像觀測。ultimainvestigator雙光子顯微鏡原理雙光子顯微鏡中，同樣每個時刻只有焦平面上一個點的信號被探測，并且連焦平面外的熒光信號也不會有。

而配合了雙光子激發(fā)技術，激光共聚掃描顯微鏡則能更好得發(fā)揮功效。那么，什么是雙光子激發(fā)技術呢？在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時吸收2個長波長的光子使電子躍遷到較高能級，經過一個很短的時間后，電子再躍遷回低能級同時放出一個波長為長波長一半的光子（P=h/λ）。利用這個原理，便誕生了雙光子激發(fā)技術。雙光子顯微鏡使用長波長脈沖激光，通過物鏡匯聚，由于雙光子激發(fā)需要很高的光子密度，而物鏡焦點處的光子密度是比較高的，所以只有在焦點處才能發(fā)生雙光子激發(fā)，產生熒光，該點產生的熒光再穿過物鏡，被光探頭接收，從而達到逐點掃描的效果。

雙光子顯微鏡是一種先進的成像技術，能夠實現(xiàn)細胞或組織的深層觀察。它的主要特點是使用雙光子激發(fā)來產生熒光，從而實現(xiàn)對生物樣品的高分辨率成像。雙光子顯微鏡的工作原理是利用激光的脈沖寬度極窄的特性，將高能激光束聚焦到生物樣品中，激發(fā)出熒光。這個過程需要使用一個特殊的雙光子激發(fā)源，它能夠將一個光子轉換為兩個光子，其中一個光子用于激發(fā)熒光，另一個光子則用于成像。雙光子顯微鏡具有以下優(yōu)點：高分辨率：由于雙光子激發(fā)的特性，可以實現(xiàn)對生物樣品的高分辨率成像，特別是對于深層組織的觀察。穿透深度大：雙光子激光的波長較長，能夠更好地穿透生物組織，從而實現(xiàn)對深層細胞的觀察。熒光壽命長：雙光子激發(fā)產生的熒光壽命比單光子激發(fā)產生的熒光壽命長，這使得雙光子顯微鏡能夠更好地區(qū)分不同的熒光標記物。減少光毒性：由于雙光子激發(fā)的能量較低，因此對生物樣品的損傷較小，可以減少光毒性?？傊?，雙光子顯微鏡是一種非常有用的成像技術，可以用于生物學、醫(yī)學、材料科學等領域的研究。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。

雙光子技術在醫(yī)療診斷應用中具有巨大的潛力，需要系統(tǒng)的醫(yī)學研究與龐大的醫(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，進行細胞結構、生化成分、微環(huán)境、組織形態(tài)、代謝功能的影響信息，找到與疾病的細胞學、分子生物學、組織病理學、診斷和特征的關聯(lián)關系，共同探究生理病理基礎和分子細胞生物學機制，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備的產品標準。討論環(huán)節(jié)，來自病理科、呼吸中心、心臟科、神經科、皮膚科及研究所的多位醫(yī)師及研究人員紛紛結合各自的工作領域與王愛民副教授展開了熱烈的討論，其中毛發(fā)中心楊頂權主任計劃再次邀請王愛民副教授進行學術交流。雙光子顯微鏡將得到更大的發(fā)展與更廣的應用。美國布魯克雙光子顯微鏡成像技術

雙光子顯微鏡不需要共聚焦細孔，提高了熒光檢測效率。國內雙光子顯微鏡最大分辨率

WinfriedDenk使用的第1個光源是染料飛秒激光(脈沖寬度100fs，可見光波長630nm)。染料激光雖然實驗室演示可以接受，但是使用起來不方便，所以離商業(yè)化還很遠。很快雙光子顯微鏡的標準光源變成了飛秒鈦寶石激光器。鈦寶石激光器除了具有固態(tài)光源的優(yōu)點外，還具有近紅外波長調諧范圍寬，而近紅外比可見光穿透更深，對生物樣品的損傷更小。下圖是Thorlabs的雙光子和三光子顯微鏡配置，鈦寶石飛秒可調諧激光器位于平臺左側。從雙光子到三光子科學家們正在從雙光子顯微鏡轉向三光子顯微鏡。1996年，ChrisXu在康奈爾大學(Denk的導師實驗室)讀博時發(fā)明了三光子顯微鏡。如果雙光子吸收是可行的，那么三光子似乎是自然的發(fā)展方向。三光子成像使用更長的波長，大約1.3和1.7微米，成像深度比雙光子更深。目前錄音大約2.2毫米，人的大腦皮層厚度大約4毫米。與雙光子顯微鏡相比，三光子需要使用更強、更短、重復率更低的激光脈沖，這是傳統(tǒng)的鈦寶石激光器很難滿足的，但對于摻鐿光纖飛秒光參量放大器，比如我們的Y-Fi光參量放大器(OPA)就非常容易。國內雙光子顯微鏡最大分辨率