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。双光子显微镜比单光子共聚焦显微镜较大的不同在于无须使用孔限制光学散射。国外双光子显微镜图像对比度
细胞内钙离子作为重要的信号分子其作用具有时间性和空间性。当个细胞兴奋时,产生了一个电冲动,此时,细胞外的钙离子流入该细胞内,促使该细胞分泌神经递质,神经递质与相邻的下一级神经细胞膜上的蛋白分子结合,促使这一级神经细胞产生新的电冲动。以此类推,神经信号便一级一级地传递下去,从而构成复杂的信号体系,终形成学习、记忆等大脑的高级功能。在哺乳动物神经系统中,钙离子同样扮演着重要的信号分子的角色。静息状态下大部分神经元细胞内钙离子浓度约为50-100nM,而细胞兴奋时钙离子浓度能瞬间上升10-100倍,增加的钙离子对于突触囊泡胞吐释放神经递质的过程必不可少。众所周知,只有游离钙才具有生物学活性,而细胞质内钙离子浓度由钙离子的内外流平衡所决定,同时也受钙结合蛋白的影响。细胞外钙离子内流的方式有很多种,其中包括电压门控钙离子通道、离子型谷氨酰胺受体、烟碱型胆碱能受体(nAChR)和瞬时受体电位C型通道(TRPC)等。神经元钙成像的原理就是利用特殊的荧光染料或钙离子指示剂将神经元中钙离子浓度的变化通过荧光强度表现出来,以反映神经元活性。该方法可以同时观察多个功能或位置相关的脑细胞。国外双光子显微镜图像对比度由于其非侵入性和高分辨率的特点,双光子显微镜成为了研究神经科学、ai症研究、免疫学等领域的重要工具。
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。
而配合了双光子激发技术,激光共聚扫描显微镜则能更好得发挥功效。那么,什么是双光子激发技术呢?在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收2个长波长的光子使电子跃迁到较高能级,经过一个很短的时间后,电子再跃迁回低能级同时放出一个波长为长波长一半的光子(P=h/λ)。利用这个原理,便诞生了双光子激发技术。双光子显微镜使用长波长脉冲激光,通过物镜汇聚,由于双光子激发需要很高的光子密度,而物镜焦点处的光子密度是比较高的,所以只有在焦点处才能发生双光子激发,产生荧光,该点产生的荧光再穿过物镜,被光探头接收,从而达到逐点扫描的效果。双光子显微镜是结合了双光子技术和扫描共聚显微镜的一种新型荧光显微镜。
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。双光子显微镜结合了双光子激发技术和激光扫描共聚显微镜。国外双光子显微镜图像对比度
双光子显微镜成像技术及不同转基因小鼠开展对多种脏器的成像研究。国外双光子显微镜图像对比度
双光子显微成像的在生物医学研究和医疗领域应用有较大的应用前景,首先双光子显微镜能够进行细胞和组织结构成像,在亚微米级成像,此功能与目前市场上的共聚焦类显微镜性能类似;双光子显微成像能够实时、在体、原位、无创地,根据不同物质组份的光谱特性,区分成像;双光子显微镜能够进行生化指标成像,在无造影剂的前提下,利用自发荧光、二次谐波、荧光获得活细胞生化信息。双光子显微镜技术在医疗诊断应用中具有巨大的潜力,该领域还未形成标准和体系,需要系统的医学研究与庞大的医疗数据加以支撑,通过研究人体基于多光子成像技术,进行细胞结构、生化成分、微环境、组织形态、代谢功能的影响信息,找到与疾病的细胞学、分子生物学、组织病理学、诊断和***特征的关联关系,共同探究生理病理基础和分子细胞生物学机制,筛选鉴定**、皮肤病、自身免疫病及其他疑难疾病的诊断及鉴别诊断依据,建立全新的多光子细胞诊断的完整数据库,定义出针对不同疾病的多光子临床检测设备的产品标准。国外双光子显微镜图像对比度