激光熒光雙光子顯微鏡圖像對比度

來源: 發(fā)布時(shí)間:2022-02-14

1.生物組織對紅外光的吸收弱,對可見光吸收強(qiáng)。類似的,平時(shí)用手電筒照射手指,會(huì)看到手通透紅亮,也是由于生物組織對長波長的紅光吸收少。2.生物組織對紅外光的散射弱。因?yàn)槿鹄⑸涞膹?qiáng)度反比于波長λ的四次方。類似的,早晨的太陽非常紅,也就是因?yàn)殚L波長的紅光穿透力更強(qiáng)。這兩點(diǎn)共同導(dǎo)致長波長的紅外光比可見光對生物組織的穿透能力強(qiáng)。與單光子顯微鏡(如共聚焦顯微鏡)相比,雙光子顯微鏡可以使用約二倍波長的激光去激發(fā)熒光團(tuán)。長波長光束散射程度低(RayleighScattering),所以穿透能力強(qiáng)。雙光子顯微鏡有哪些分類呢?激光熒光雙光子顯微鏡圖像對比度

激光熒光雙光子顯微鏡圖像對比度,雙光子顯微鏡

在傳統(tǒng)寬場顯微鏡中,來自標(biāo)本不同縱深的光線都可投射到同一焦平面(感光元件)上,所以其成像是整個(gè)樣品的重疊像,沒有縱向分辨能力。單光子激光共聚焦顯微鏡用***有效濾除了雜散光,分辨率有了本質(zhì)上的提高,擁有了對樣品的特定焦平面精細(xì)成像的能力,可以進(jìn)行三維成像、動(dòng)態(tài)成像等。然而,***在濾除雜散光的同時(shí)也將大部分來自焦平面的熒光濾除了,只有很弱的熒光到達(dá)檢測器。若要提高信號(hào)強(qiáng)度,需要加大激發(fā)光功率,這又會(huì)導(dǎo)致對活細(xì)胞的光毒性和熒光分子的光漂白增加。雙光子顯微鏡比較大的優(yōu)勢來源于其雙光子光源的非線性光學(xué)效應(yīng),與單光子共聚焦顯微鏡比較大的不同在于無須使用***限制光學(xué)散射,其具體優(yōu)勢如下。國內(nèi)ultima雙光子顯微鏡光損傷雙光子顯微鏡為什么穿透能力強(qiáng)?

激光熒光雙光子顯微鏡圖像對比度,雙光子顯微鏡

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的一種新型熒光顯微鏡,其原理大致是這樣的:首先,讓我們來看看什么是熒光顯微鏡。熒光顯微鏡是以紫外線為光源,照射被檢物體上的熒光物質(zhì)或是熒光染料,使其發(fā)出熒光。相比普通光學(xué)顯微鏡,熒光顯微鏡運(yùn)用了波長更短的紫外線,再將可見光過濾掉,提高了分辨力率。而當(dāng)被檢物體過厚時(shí),從不同深度發(fā)出的熒光都會(huì)打在物鏡上,使觀察到的像模糊、發(fā)虛,無法清楚的知道被檢物體的結(jié)構(gòu)。而激光掃描共聚顯微鏡就是在熒光顯微鏡的基礎(chǔ)上,增加了激光掃描裝置,從而解決了上述問題。激光共聚掃描顯微鏡脫離了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的場光源和局部平面成像模式,采用激光束作光源,激光束經(jīng)照明孔,經(jīng)由分光鏡反射至物鏡,并聚焦于樣品上,對標(biāo)本焦平面上每一點(diǎn)進(jìn)行掃描。組織樣品中的熒光物質(zhì)受到刺激后發(fā)出的熒光經(jīng)原來入射光路直接反向回到分光鏡,通過探測孔時(shí)先聚焦,然后被光探頭收集,轉(zhuǎn)化為信號(hào)輸送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。這個(gè)裝置能讓通過探測***的只有焦平面上發(fā)出的熒光,使成像更為清晰準(zhǔn)確,同時(shí)通過改變物鏡的焦距,能對不同焦平面進(jìn)行掃描,通過計(jì)算機(jī)繪出普通顯微鏡無法觀測的三維圖像。

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。雙光子顯微鏡使用長波長脈沖光,是通過物鏡匯聚的。

激光熒光雙光子顯微鏡圖像對比度,雙光子顯微鏡

相比普通的顯微鏡電子顯微鏡可以觀察尺度更小的東西,冷凍電鏡更是可以觀察有活性的生物大分子,而雙光子顯微鏡有什么優(yōu)勢呢?它能做到什么普通光學(xué)顯微鏡做不到的事情嗎?原來,雙光子顯微鏡可以精確穿透較厚標(biāo)本進(jìn)行定點(diǎn)、***觀察!由于電磁波的波長越短,粒子性越強(qiáng),受散射影響也就越大。雙光子顯微鏡將激發(fā)光源改為長波長激光,在增加了激光的穿透性的同時(shí)還減少了對細(xì)胞的毒性。除此之外,因?yàn)橹挥形镧R焦點(diǎn)處能發(fā)生雙光子激發(fā)效應(yīng),所以掃描的精確度極高,也能提高激發(fā)光效率,減少被掃描點(diǎn)之外的熒光物質(zhì)消耗。雙光子顯微鏡使用的是可見光或近紅外光作為光源;ultimainvestigator雙光子顯微鏡熒光壽命計(jì)數(shù)

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,并且連焦平面外的熒光信號(hào)也不會(huì)有。激光熒光雙光子顯微鏡圖像對比度

隨著技術(shù)的發(fā)展,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。深要想讓激發(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。激光熒光雙光子顯微鏡圖像對比度