雙光子顯微鏡圖像對(duì)比度

通過(guò)對(duì)微型光學(xué)系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)，F(xiàn)HIRM-TPM 2.0成像視野擴(kuò)大至420×420平方微米，微型物鏡的工作距離擴(kuò)展至1毫米，以實(shí)現(xiàn)非侵入式成像；嵌入了可拆卸的快速軸向掃描模塊，實(shí)現(xiàn)了180微米深度的三維體成像和多平面快速切換的實(shí)時(shí)成像。該模塊由一個(gè)快速的電動(dòng)變焦透鏡和一對(duì)中繼透鏡組成，在不同深度成像時(shí)保持放大倍率恒定。其中，變焦模塊重量1.8克，研究人員可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探頭還可整體即時(shí)拔插，極大地簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，避免了長(zhǎng)周期實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)動(dòng)物的干擾。在重復(fù)裝卸探頭追蹤同一批神經(jīng)元時(shí)，視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角小于0.07弧度，邊界偏差小于35微米。雙光子顯微鏡有這么多優(yōu)點(diǎn)，那么雙光子顯微鏡有哪些應(yīng)用呢？雙光子顯微鏡圖像對(duì)比度

單光子顯微技術(shù)是成熟的熒光顯微技術(shù)，但由于其使用的激發(fā)光波長(zhǎng)較短，成像深度有限；能量較大,會(huì)造成對(duì)熒光物質(zhì)的漂白,光毒性嚴(yán)重。激光共焦掃描顯微鏡由于共焦顯微鏡的孔徑很小,實(shí)現(xiàn)樣本三維成像要逐點(diǎn)掃描,成像速度慢,對(duì)樣本損害大,很難用于長(zhǎng)時(shí)間活細(xì)胞成像。而寬場(chǎng)顯微鏡能夠很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像,光漂白小,因而較早應(yīng)用于活細(xì)胞內(nèi)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，但寬場(chǎng)顯微鏡由于離焦信號(hào)的干擾,難以實(shí)現(xiàn)多維成像。雙光子熒光顯微鏡（Two-PhotonLaser-ScanningMicroscopy）。雙光子顯微成像技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的結(jié)合了共聚焦激光掃描顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新型非線性光學(xué)成像方法,采用長(zhǎng)波激發(fā)，能對(duì)組織進(jìn)行深層次成像。常用的比較好激發(fā)波長(zhǎng)大多位于800-900nm，而水、血液和固有組織發(fā)色團(tuán)對(duì)這個(gè)波段的光吸收率低，此外散射的激發(fā)光子不能激發(fā)樣品，因此背景第，光損傷小，適用于在體檢測(cè)。雙光子熒光成像技術(shù)能準(zhǔn)確定位細(xì)胞內(nèi)置入的微電極位置，從而觀察胞體、樹(shù)突甚至單個(gè)樹(shù)突棘的活性。研究者可完整的觀察神經(jīng)組織的分辨熒光圖像,甚至可以分辨神經(jīng)細(xì)胞單個(gè)樹(shù)突棘中的鈣分布。國(guó)外bruker雙光子顯微鏡成像平臺(tái)倒置雙光子顯微鏡啟用顯微鏡自帶調(diào)焦設(shè)備。

首先我們來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下激光掃描共聚焦和雙光子這兩種當(dāng)紅的顯微成像技術(shù)。激光掃描共聚焦顯微技術(shù)，是熒光顯微成像的一種，用于激發(fā)樣品的熒光信號(hào)并對(duì)其放大成像。在激光掃描共聚焦顯微鏡中，樣品焦平面上每一時(shí)刻只有一個(gè)點(diǎn)被激發(fā)光照射，縱然焦平面外也有激發(fā)光照射，但通過(guò)探測(cè)器前的（pinhole），有焦平面上的熒光信號(hào)能被探測(cè)器接收。也就是說(shuō)，每個(gè)時(shí)刻，只有焦平面上一個(gè)點(diǎn)的信號(hào)被探測(cè)。通過(guò)點(diǎn)掃描的方式，一個(gè)個(gè)點(diǎn)的信號(hào)就可以組合出終的圖像。雙光子顯微鏡（包括多光子顯微鏡）同樣采用點(diǎn)掃描的方式得到圖像。不同的是，其采用的激發(fā)光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，只有當(dāng)兩個(gè)（或更多）激發(fā)光光子幾乎同時(shí)轟擊熒光探針的時(shí)候才可能激發(fā)出熒光信號(hào)。所以只有在光子密度特別大的焦點(diǎn)，出才會(huì)激發(fā)出熒光。也就是說(shuō)，雙光子顯微鏡中，同樣每個(gè)時(shí)刻只有焦平面上一個(gè)點(diǎn)的信號(hào)被探測(cè)，并且連焦平面外的熒光信號(hào)也不會(huì)有。

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(dòng)物頭部顱窗上，實(shí)時(shí)記錄數(shù)十個(gè)神經(jīng)元、上千個(gè)神經(jīng)突觸的動(dòng)態(tài)信號(hào)。在大型動(dòng)物上，還可望實(shí)現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)。相比單光子激發(fā)，雙光子激發(fā)具有良好的光學(xué)斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢(shì)，其橫向分辨率達(dá)到0.65μm，成像質(zhì)量與商品化大型臺(tái)式雙光子熒光顯微鏡可相媲美，遠(yuǎn)優(yōu)于目前領(lǐng)域內(nèi)主導(dǎo)的、美國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃重要團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的微型化寬場(chǎng)顯微鏡。采用雙軸對(duì)稱高速微機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)，成像幀頻已達(dá)40Hz（256*256像素），同時(shí)具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒1萬(wàn)線的線掃描能力。此外，采用自主設(shè)計(jì)可傳導(dǎo)920nm飛秒激光的光子晶體光纖，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微型雙光子顯微鏡對(duì)腦科學(xué)領(lǐng)域較廣泛應(yīng)用的指示神經(jīng)元活動(dòng)的熒光探針（如GCaMP6）的有效利用。 同時(shí)采用柔性光纖束進(jìn)行熒光信號(hào)的接收，解決了動(dòng)物的活動(dòng)和行為由于熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。未來(lái)，與光遺傳學(xué)技術(shù)的結(jié)合，可望在結(jié)構(gòu)與功能成像的同時(shí)，精細(xì)地操控神經(jīng)元和神經(jīng)回路的活動(dòng)。雙光子顯微鏡在組織透明化成像中應(yīng)用；

Denk很快就將雙光子顯微鏡用于神經(jīng)元成像，而1997年在Svoboda測(cè)量完整老鼠大腦的錐體神經(jīng)元的感官刺激誘導(dǎo)樹(shù)突鈣離子動(dòng)態(tài)后，雙光子顯微鏡的潛能開(kāi)始完全凸顯。值得一提的是，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)院Svoboda實(shí)驗(yàn)室和Thorlabs在2016年合作推出了一種強(qiáng)大的多光子介觀顯微鏡，其成像視場(chǎng)達(dá)到5毫米，能夠跨多個(gè)腦區(qū)進(jìn)行高速功能成像。根據(jù)清華大學(xué)單一采購(gòu)來(lái)源的**指導(dǎo)意見(jiàn)：這種顯微鏡的視場(chǎng)是普通雙光子顯微鏡的10倍。30年來(lái)，雙光子顯微鏡已成為較厚生物組織三維成像中不可或缺的工具。從雙光子到三光子甚至四光子，這種非線性成像技術(shù)通常也被統(tǒng)稱為多光子顯微鏡。下圖統(tǒng)計(jì)了自1990年以來(lái)每年發(fā)表的多光子顯微鏡文章數(shù)量，發(fā)展速度可見(jiàn)一斑。雙光子顯微鏡觀察到的現(xiàn)象證明了鈣離子的增加依賴于肌體觸發(fā)的鈉離子作用電勢(shì)。國(guó)內(nèi)熒光激光雙光子顯微鏡熒光探測(cè)

雙光子顯微鏡是結(jié)合了雙光子激發(fā)技術(shù)和激光掃描共聚顯微鏡。雙光子顯微鏡圖像對(duì)比度

雙光子熒光顯微鏡是結(jié)合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新技術(shù)。雙光子激發(fā)的基本原理是：在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時(shí)吸收2個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子，在經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的所謂激發(fā)態(tài)壽命的時(shí)間后，發(fā)射出一個(gè)波長(zhǎng)較短的光子；其效果和使用一個(gè)波長(zhǎng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)一半的光子去激發(fā)熒光分子是相同的。雙（多）光子成像優(yōu)勢(shì)在于，具有更深的組織穿透深度，利用紅外光，能夠在層面檢測(cè)極限達(dá)1mm的組織區(qū)域；因信號(hào)背景比高，而具有更高的對(duì)比度；因激發(fā)體積小，具有定點(diǎn)激發(fā)的特性，具有更少的光毒性；激發(fā)波長(zhǎng)由紫外、可見(jiàn)光調(diào)整為紅外激發(fā)，能夠更加安全。雙光子顯微鏡圖像對(duì)比度