熒光多光子顯微鏡原理

因斯蔻浦(上海)生物科技有限公司 雙光子顯微鏡的基本原理是：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，其脈沖寬度只有 100 飛秒，而其周期可以達(dá)到 80至100兆赫茲。在使用高數(shù)值孔徑的物鏡將脈沖激光的光子聚焦時(shí)，物鏡的焦點(diǎn)處的光子密度是比較高的，雙光子激發(fā)只發(fā)生在物鏡的焦點(diǎn)上，所以雙光子顯微鏡不需要共聚焦***，提高了熒光檢測(cè)效率。與傳統(tǒng)的熒光顯微鏡相比，多光子顯微鏡具有更好的深度穿透能力和較低光損傷性，可以觀察更深層的組織結(jié)構(gòu)。熒光多光子顯微鏡原理

現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和科技的進(jìn)步，特別是隨著后基因組時(shí)代的到來(lái)，人們已經(jīng)能夠根據(jù)需要建立各種細(xì)胞模型，為在體研究基因表達(dá)規(guī)律、分子間的相互作用、細(xì)胞的增殖、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、誘導(dǎo)分化、細(xì)胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物學(xué)條件。然而，盡管人們利用現(xiàn)有的分子生物學(xué)方法，已經(jīng)對(duì)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)之間的相互作用進(jìn)行了深入、細(xì)致的研究，但仍然不能實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)和基因活動(dòng)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在細(xì)胞的生理過(guò)程中，基因、尤其是蛋白質(zhì)的表達(dá)、修飾和相萬(wàn)作用往往發(fā)生可逆的、動(dòng)態(tài)的變化。目前的分子生物學(xué)方法還不能捕獲到蛋白質(zhì)和基因的這些變化，但獲取這些信息對(duì)與研究基因的表達(dá)和蛋白質(zhì)之間的相互作用又至關(guān)重要。因此，發(fā)展能用于、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)和基因活動(dòng)的方法是非常必要的。美國(guó)全自動(dòng)多光子顯微鏡光子顯微鏡可以觀察生物細(xì)胞、組織、微生物、纖維等樣品，具有分辨率高、成像速度快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

光學(xué)成像技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)的結(jié)合為研究上述科學(xué)問(wèn)題提供了條件與可能。因此，在現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，急需發(fā)展新的成像技術(shù)。在動(dòng)物體內(nèi)，如何實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)及蛋白質(zhì)之間相五作用的實(shí)時(shí)在體成像監(jiān)測(cè)是當(dāng)前迫切需要解決的重大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。這是也生物學(xué)、信息科學(xué)（光學(xué)）和基礎(chǔ)臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科共同感興趣的重大問(wèn)題。對(duì)這-一一科學(xué)問(wèn)題的研究不僅有助于闡明生命活動(dòng)的基本規(guī)律、認(rèn)識(shí)疾病的發(fā)展規(guī)律，而且對(duì)創(chuàng)新藥物研究、藥物療效評(píng)價(jià)以及發(fā)展疾病早期診斷技術(shù)等產(chǎn)生重大影響。

快速光柵掃描有多種實(shí)現(xiàn)方式，使用振鏡進(jìn)行快速2D掃描，將振鏡和可調(diào)電動(dòng)透鏡結(jié)合在一起進(jìn)行快速3D掃描，但可調(diào)電動(dòng)透鏡由于機(jī)械慣性的限制在軸向無(wú)法快速進(jìn)行焦點(diǎn)切換，影響成像速度，現(xiàn)可使用空間光調(diào)制器（SLM）代替。遠(yuǎn)程聚焦也是一種實(shí)現(xiàn)3D成像的手段。在LSU模塊中，掃描振鏡進(jìn)行橫向掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過(guò)調(diào)控M的位置實(shí)現(xiàn)軸向掃描。該技術(shù)不僅可以校正主物鏡L2引入的光學(xué)像差，還可以進(jìn)行快速的軸向掃描。想要獲得更多神經(jīng)元成像，可以通過(guò)調(diào)整顯微鏡的物鏡設(shè)計(jì)來(lái)擴(kuò)大FOV，但是具有大NA和大FOV的物鏡通常重量較大，無(wú)法快速移動(dòng)以進(jìn)行快速軸向掃描，因此大型FOV系統(tǒng)依賴于遠(yuǎn)程聚焦、SLM和可調(diào)電動(dòng)透鏡。由于光的波長(zhǎng)有限，光子顯微鏡的分辨率受到限制，無(wú)法觀察到更小的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器。

我們要指出的是，單光子激發(fā)熒光和雙光子激發(fā)熒光，是從熒光產(chǎn)生的機(jī)理上來(lái)區(qū)分的。而共焦則是熒光顯微鏡的一種結(jié)構(gòu)，其目的是為了，通過(guò)共焦結(jié)構(gòu)，提高整個(gè)熒光顯微鏡的空間分辨率。所以共焦熒光顯微鏡可以根據(jù)激發(fā)光源的不同，實(shí)現(xiàn)單光子共焦熒光成像或者雙光子共焦熒光成像。往往一個(gè)普通的雙光子熒光顯微鏡（沒(méi)有共焦結(jié)構(gòu)）其空間分辨率也可以達(dá)到單光子共焦熒光顯微鏡的水平。這樣就可以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，就提高了激發(fā)光源的利用率，以及熒光的探測(cè)效率，這個(gè)也是我們提倡雙光子熒光成像的原因之一。雙光子熒光共焦顯微鏡由于雙光子效應(yīng)和共焦結(jié)構(gòu)，分辨率則會(huì)更高，而我們通常說(shuō)的共焦顯微鏡都是指單光子激發(fā)熒光的。多光子顯微鏡，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的生物組織觀測(cè)。熒光多光子顯微鏡原理

利用多光子顯微鏡，進(jìn)行無(wú)損、高分辨率的生物組織層析成像。熒光多光子顯微鏡原理

有許多方法可以實(shí)現(xiàn)快速光柵掃描，例如使用振鏡進(jìn)行快速2D掃描，以及將振鏡與可調(diào)電動(dòng)透鏡相結(jié)合進(jìn)行快速3D掃描。而可調(diào)電動(dòng)式鏡頭由于機(jī)械慣性的限制，無(wú)法在軸向快速切換焦點(diǎn)，影響成像速度?，F(xiàn)在它可以被空間光調(diào)制器(SLM)取代。遠(yuǎn)程對(duì)焦也是實(shí)現(xiàn)3D成像的一種手段，如圖2所示。LSU模塊中，掃描振鏡水平掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過(guò)調(diào)整M的位置實(shí)現(xiàn)軸向掃描該技術(shù)不僅可以校正主物鏡L2引入的光學(xué)像差，還可以進(jìn)行快速軸向掃描。為了獲得更多的神經(jīng)元成像，可以通過(guò)調(diào)整顯微鏡的物鏡設(shè)計(jì)來(lái)放大FOV。然而，大NA和大FOV的物鏡通常很重，不能快速移動(dòng)以進(jìn)行快速軸向掃描，因此大FOV系統(tǒng)依賴于遠(yuǎn)程聚焦、SLM和可調(diào)電動(dòng)透鏡。熒光多光子顯微鏡原理