雙光子之源:飛秒激光:雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎得主MariaGoeppertMayer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,所以關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準激發(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。用雙光子顯微鏡看看你的皮膚有沒有重煥新生。美國激光雙光子顯微鏡原理
新一代微型化雙光子熒光顯微鏡體積小,重只2.2克,適于佩戴在小動物頭部顱窗上,實時記錄數(shù)十個神經(jīng)元、上千個神經(jīng)突觸的動態(tài)信號。在大型動物上,還可望實現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長時程觀測。相比單光子激發(fā),雙光子激發(fā)具有良好的光學斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢,其橫向分辨率達到0.65μm,成像質(zhì)量與商品化大型臺式雙光子熒光顯微鏡可相媲美,遠優(yōu)于目前領域內(nèi)主導的、美國腦科學計劃重要團隊所研發(fā)的微型化寬場顯微鏡。采用雙軸對稱高速微機電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術,成像幀頻已達40Hz(256*256像素),同時具備多區(qū)域隨機掃描和每秒1萬線的線掃描能力。此外,采用自主設計可傳導920nm飛秒激光的光子晶體光纖,該系統(tǒng)實現(xiàn)了微型雙光子顯微鏡對腦科學領域較廣泛應用的指示神經(jīng)元活動的熒光探針(如GCaMP6)的有效利用。同時采用柔性光纖束進行熒光信號的接收,解決了動物的活動和行為由于熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。未來,與光遺傳學技術的結(jié)合,可望在結(jié)構(gòu)與功能成像的同時,精細地操控神經(jīng)元和神經(jīng)回路的活動。2PPLUS雙光子顯微鏡成像原理雙光子顯微鏡可以進行厚的組織樣品拍攝。
通過并行化不同激光波長的激光掃描,研究人員增加了在相同時間內(nèi)可以成像的體積,同時保持了高的時間和空間分辨率。研究人員通過引入兩種不同波長的鈣信號熒光探針,將神經(jīng)元群體的活動標記為兩種不同的顏色,同時激發(fā)兩種不同波長的探針,從而實現(xiàn)了兩種顏色的并行數(shù)據(jù)記錄。為了實現(xiàn)三維空間成像,研究人員還在兩個激光束上配置了快速變焦系統(tǒng),即一個電透鏡和一個空間光調(diào)制器。因此,可以以10Hz的速度同時記錄10個500微米和500微米的平面,覆蓋600微米的深度,覆蓋大腦皮層第二層到第五層的結(jié)構(gòu),體積內(nèi)可以記錄2000多個神經(jīng)元。
其實電子顯微鏡相比于光學顯微鏡的重要優(yōu)勢或者存在的比較大意義,準確的來說,不在于放大倍數(shù),而在于超高的分辨率。這兩者是不同的。通俗的來說,就是進行觀察的時候,除了要將物體放大,還需要能將它與相鄰的其他物體分辨開來。如果兩個相鄰微粒的圖像在光學顯微鏡下,即使放大到很大,看到的可能卻是兩個相交的亮斑(艾里斑),而沒有明顯的界限(更不用說細節(jié)了),這表示是分辨率不夠。拋開分辨率談放大倍數(shù)是沒有意義的。光學顯微鏡的分辨率極限是阿貝極限,約等于光波波長的一半,通常被說成是光學顯微鏡放大極限,其實準確地來說,應該叫做分辨率的極限。而其產(chǎn)生的原因是光的衍射,根本原因是光的波粒二象性。電子衍射實驗證明了電子的波動性,于是用電子代替光的電子顯微鏡成為可能。電子顯微鏡也有多種,題主說的是像REM的。電鏡也存在用衍射規(guī)則觀察的,比如低能電子衍射(LEED)和透射電鏡(TEM)。兩者主要用于觀察晶體,根據(jù)其周期性的特點而生成倒易空間里的衍射圖像,借助elward球或者傅里葉變換就可以轉(zhuǎn)換到實空間,得到真正的晶體表面圖像了。雙光子顯微鏡除了可以進行厚的組織樣品拍攝以外呢,可以在小鼠的的任何部位進行成像。
雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎得主MariaGoeppertMayer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,所以關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準激發(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。于雙光子激發(fā)需要兩個光子同時到達,因此只有在焦點附近的樣品區(qū)域才會激發(fā),從而實現(xiàn)三維成像和高分辨率。美國熒光激光雙光子顯微鏡作用
雙光子顯微鏡型號有哪些?美國激光雙光子顯微鏡原理
2020年,臨研所、病理科和科研處邀請北京大學王愛民副教授做了題目為“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(jīng)元和神經(jīng)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、術中診斷等提供新的影像手段和分析方法。美國激光雙光子顯微鏡原理