剛好雙光子在這兩點(diǎn)具有很大的優(yōu)勢在實(shí)際操作中成像的深度和樣品的關(guān)系很大,雙光子成像利用高亮度的熒光標(biāo)記材料,已經(jīng)有做到mm級(jí)別的穿透深度HighqualitycellularTPimagingwithhighsignal-to-backgroundratio(>100)andtissueimagingwithapenetrationdepthof2200μmhavebeenachievedwithP-QDasprobe.ExtremelyHighBrightnessfromPolymer-EncapsulatedQuantumDotsforTwo-photonCellularandDeep-tissueImaging:ScientificReports:NaturePublishingGroup雙光子顯微鏡明日之星--FemtoFiber ultra 920 。美國ultima雙光子顯微鏡的原理
要想讓激發(fā)激光進(jìn)入更深的層面,大致可從兩個(gè)方面入手,裝置優(yōu)化與標(biāo)本改造。關(guān)于裝置優(yōu)化,我們可以把激光束變得更細(xì),使能量更加集中,就能讓激光穿透更深。關(guān)于標(biāo)本,其中影響光傳播的主要是物質(zhì)吸收和散射,解決這個(gè)問題,我們需要對(duì)樣本進(jìn)行透明化處理。一種方法是運(yùn)用某種物質(zhì)將標(biāo)本浸泡,使其中的物質(zhì)(主要是脂質(zhì))被破壞或溶解。另一種方法是運(yùn)用電泳將脂質(zhì)電解,讓標(biāo)本“透明度”提高。高光子密度帶來的高能量容易損傷細(xì)胞,所以雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發(fā)出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量,其脈沖達(dá)到最大值所持續(xù)的周期只有十萬億分之一秒,而其頻率可以達(dá)到80至100兆赫,這樣即能達(dá)到雙光子激發(fā)的高光子密度要求,又能不損傷細(xì)胞,使掃描能更好地進(jìn)行。國外布魯克雙光子顯微鏡磷光壽命計(jì)數(shù)雙光子顯微鏡廠家就找滔博生物。
雙光子顯微成像的在生物醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用有較大的應(yīng)用前景,首先雙光子顯微鏡能夠進(jìn)行細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu)成像,在亞微米級(jí)成像,此功能與目前市場上的共聚焦類顯微鏡性能類似;雙光子顯微成像能夠?qū)崟r(shí)、在體、原位、無創(chuàng)地,根據(jù)不同物質(zhì)組份的光譜特性,區(qū)分成像;雙光子顯微鏡能夠進(jìn)行生化指標(biāo)成像,在無造影劑的前提下,利用自發(fā)熒光、二次諧波、熒光獲得活細(xì)胞生化信息。雙光子顯微鏡技術(shù)在醫(yī)療診斷應(yīng)用中具有巨大的潛力,該領(lǐng)域還未形成標(biāo)準(zhǔn)和體系,需要系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)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(shù),進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)、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(xì)胞學(xué)、分子生物學(xué)、組織病理學(xué)、診斷和***特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系,共同探究生理病理基礎(chǔ)和分子細(xì)胞生物學(xué)機(jī)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(xì)胞診斷的完整數(shù)據(jù)庫,定義出針對(duì)不同疾病的多光子臨床檢測設(shè)備的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。
目前,世界各國的腦科學(xué)研究如火如荼,中國的腦計(jì)劃也即將啟動(dòng)。其中,關(guān)于全景式解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜的研究成為重點(diǎn)研究方向,而如何打破尺度壁壘,融合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)與大腦整體的信息處理和個(gè)體行為信息,是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。2021年1月6日,由北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所牽頭,聯(lián)合北大信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系、工學(xué)院以及中國人民******醫(yī)學(xué)科學(xué)院等組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì),在NatureMethods在線發(fā)表題為“Miniaturetwo-photonmicroscopyforenlargedfield-of-view,multi-plane,andlong-termbrainimaging”的文章。文中報(bào)道了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(tuán)隊(duì)于2017年發(fā)布的低1代微型化顯微鏡的7.8倍,同時(shí)具備三維成像能力,獲取了小鼠在自由運(yùn)動(dòng)行為中大腦三維區(qū)域內(nèi)上千個(gè)神經(jīng)元清晰穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)功能圖像,并且實(shí)現(xiàn)了針對(duì)同一批神經(jīng)元長達(dá)一個(gè)月的追蹤記錄。雙光子顯微鏡還可以對(duì)一些具有特性的染料細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn),還有一些短波長可以利用雙光子特性進(jìn)行特定實(shí)驗(yàn)。
在高光子密度的情況下,熒光分子可以同時(shí)吸收兩個(gè)長波長的光子,然后發(fā)射出一個(gè)波長較短的光子,其效果和使用一個(gè)波長為長波長一半的光子去激發(fā)熒光分子是相同的如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH),在單光子激發(fā)時(shí),在波長為350nm光的激發(fā)下發(fā)出450nm熒光;而在雙光子激發(fā)時(shí),可采用700nm的激發(fā)光得到450nm熒光。由于雙光子激發(fā)需要很高的光子密度,為了不損傷細(xì)胞,雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發(fā)出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量,從而可以減少光漂白和光毒性帶來的不利影響。雙光子顯微鏡的性能得到不斷地優(yōu)化,結(jié)合它的特點(diǎn),大致可以分成深和活兩個(gè)方面的提升。美國ultimainvestigator雙光子顯微鏡商家
雙光子顯微鏡能夠在細(xì)胞甚至是亞細(xì)胞水平上對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、離子濃度、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、進(jìn)行直接成像監(jiān)測。美國ultima雙光子顯微鏡的原理
雙光子之源:飛秒激光:雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎(jiǎng)得主MariaGoeppertMayer提出,30年后因?yàn)橛辛思す獠诺玫綄?shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shù)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(dāng)于和頻產(chǎn)生非線性過程,這要求極高的電場強(qiáng)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(duì)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(guān),所以關(guān)鍵變量只剩下激光脈寬?;谝陨戏治觯軌蛞愿咧仡l(100MHz)輸出超短脈沖(100fs量級(jí))的飛秒激光器成了雙光子顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(duì)于實(shí)驗(yàn)室演示尚可,但是使用很不方便所以遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標(biāo)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(duì)生物樣品損傷更小。美國ultima雙光子顯微鏡的原理