熒光激光雙光子顯微鏡成像技術

    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換到實空間，得到真正的晶體表面圖像了。 雙光子顯微鏡在各領域研究中已有許多成功實例。熒光激光雙光子顯微鏡成像技術

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，引入圖像掃描技術可以進一步提高空間分辨率，這種技術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，可能會產生光漂白，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。激光熒光雙光子顯微鏡成像視野是多少雙光子顯微鏡不需要共聚焦細孔，提高了熒光檢測效率。

為了驗證動物生物樣品的時間分辨成像能力，本實驗觀察了活海拉細胞高爾基體中的青色熒光蛋白mTFP1，見圖3(a),(c)-(i)。使用的物鏡及尺寸與熒光顆粒成像一致，對比可見v2PE在空間分辨率、激發(fā)深度級圖像對比度較常規(guī)寬場顯微鏡都有所提高。此外，v2PE可以同時激發(fā)多個波長的熒光蛋白，這種技術還可以應用于細胞內分子的三維動力學多色成像。在此基礎上，實驗對海拉細胞中的高爾基體(mTFP1)和纖顫蛋白(EGFP)進行了在體成像，見圖3(j)-(n)，青色為mTFP1,綠色為EGFP，實驗中兩種熒光蛋白同時成像，終采用光譜分離法將不同蛋白的熒光信號分離出來。

剛好雙光子在這兩點具有很大的優(yōu)勢在實際操作中成像的深度和樣品的關系很大，雙光子成像利用高亮度的熒光標記材料，已經有做到mm級別的穿透深度HighqualitycellularTPimagingwithhighsignal-to-backgroundratio(>100)andtissueimagingwithapenetrationdepthof2200μmhavebeenachievedwithP-QDasprobe.ExtremelyHighBrightnessfromPolymer-EncapsulatedQuantumDotsforTwo-photonCellularandDeep-tissueImaging:ScientificReports:NaturePublishingGroup雙光子顯微鏡可以在小鼠的的任何部位進行有生命體成像。

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。雙光子顯微鏡還可以對一些具有特性的染料細胞進行實驗，還有一些短波長可以利用雙光子特性進行特定實驗。熒光激光雙光子顯微鏡成像技術

雙光子顯微鏡還可以對一些具有雙光子特性的染料細胞進行特定實驗；熒光激光雙光子顯微鏡成像技術

第二代微型化雙光子熒光顯微鏡FHIRM-TPM2.0，其成像視野是該團隊于2017年發(fā)布的代微型化顯微鏡的7.8倍，同時具備三維成像能力，獲取了小鼠在自由運動行為中大腦三維區(qū)域內上千個神經元清晰穩(wěn)定的動態(tài)功能圖像，并且實現(xiàn)了針對同一批神經元長達一個月的追蹤記錄。在一批“早鳥項目”中，該系統(tǒng)已被多個研究組應用于不同的模式動物和行為范式，如小鼠的社交新穎性識別、斑胸草雀受調控后大腦特定神經元變化、新型神經遞質乙酰膽堿探針的傳導適應性分析以及獼猴三腦區(qū)成像等多項研究。熒光激光雙光子顯微鏡成像技術