美國熒光激光雙光子顯微鏡原理

Winfried Denk較初使用的光源是染料飛秒激光器(100 fs脈寬、630 nm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。下圖是Thorlabs的雙光子和三光子顯微鏡配置，鈦寶石飛秒可調(diào)諧激光器位于平臺(tái)較左邊?？茖W(xué)家正在從雙光子轉(zhuǎn)向三光子顯微鏡。1996年，Chris Xu在康奈爾大學(xué)(Denk同導(dǎo)師實(shí)驗(yàn)室)讀博期間發(fā)明了三光子顯微鏡，如果雙光子吸收可行，那么三光子看起來也是自然的發(fā)展方向。三光子成像使用更長的波長，大約在1.3和1.7微米，其成像深度也比雙光子更深，目前記錄約為2.2毫米，人類大腦皮層厚約4毫米。相比雙光子顯微鏡，三光子還要求以較低重頻使用更強(qiáng)和更短的激光脈沖，而傳統(tǒng)的鈦寶石激光器難以達(dá)到這些要求，但是對(duì)于摻鐿光纖飛秒光參量放大器則非常容易，比如我們的Y-Fi光參量放大器(OPA)。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)。美國熒光激光雙光子顯微鏡原理

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(duì)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(duì)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。國內(nèi)ultima2PPLUS雙光子顯微鏡代理商雙光子顯微鏡是新型的熒光顯微鏡，其原理大致是這樣的；

細(xì)胞內(nèi)鈣離子作為重要的信號(hào)分子其作用具有時(shí)間性和空間性。當(dāng)個(gè)細(xì)胞興奮時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)電沖動(dòng)，此時(shí)，細(xì)胞外的鈣離子流入該細(xì)胞內(nèi)，促使該細(xì)胞分泌神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)與相鄰的下一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞膜上的蛋白分子結(jié)合，促使這一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生新的電沖動(dòng)。以此類推，神經(jīng)信號(hào)便一級(jí)一級(jí)地傳遞下去，從而構(gòu)成復(fù)雜的信號(hào)體系，終形成學(xué)習(xí)、記憶等大腦的高級(jí)功能。在哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子同樣扮演著重要的信號(hào)分子的角色。靜息狀態(tài)下大部分神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度約為50-100nM，而細(xì)胞興奮時(shí)鈣離子濃度能瞬間上升10-100倍，增加的鈣離子對(duì)于突觸囊泡胞吐釋放神經(jīng)遞質(zhì)的過程必不可少。眾所周知，只有游離鈣才具有生物學(xué)活性，而細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度由鈣離子的內(nèi)外流平衡所決定，同時(shí)也受鈣結(jié)合蛋白的影響。細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流的方式有很多種，其中包括電壓門控鈣離子通道、離子型谷氨酰胺受體、煙堿型膽堿能受體（nAChR）和瞬時(shí)受體電位C型通道（TRPC）等。神經(jīng)元鈣成像的原理就是利用特殊的熒光染料或鈣離子指示劑將神經(jīng)元中鈣離子濃度的變化通過熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出來，以反映神經(jīng)元活性。該方法可以同時(shí)觀察多個(gè)功能或位置相關(guān)的腦細(xì)胞。

雙光子顯微鏡是結(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)長波長的光子，在經(jīng)過一個(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。雙（多）光子成像優(yōu)勢在于，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)波長由紫外、可見光調(diào)整為紅外激發(fā)，能夠更加安全。雙光子顯微鏡已延伸到各個(gè)領(lǐng)域研究中，它能對(duì)樣品進(jìn)行三維觀察。

光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡本質(zhì)的區(qū)別在于，光學(xué)顯微鏡：用的是可見光電子顯微鏡：用的是高頻電子射波有什么區(qū)別，在于一個(gè)基本的原理，光的衍射。。。光波是一個(gè)有趣的東西，其中有一項(xiàng)，如果物體的體積小于光的波長，光一般可以繞過去，不發(fā)生明顯變化。也就是說，有這個(gè)物體和沒這個(gè)物體，在這種情況下，光是不會(huì)發(fā)生明顯改變的。可見光的波長（肉眼）：380～780納米，也就是，如果比380納米還要小的東西，用光學(xué)顯微鏡，無論你放大多少倍，也是看不見的。因?yàn)楣饫@過去了。。。光的衍射為了克服這個(gè)問題，科學(xué)家用波長更短的光去照射物體，也是就被觀測物。比如10納米級(jí)的光，這樣，就能看到我們用肉眼無論如何都看不見的東西。這就是電子顯微鏡多說一句，光速是不變的。光速=頻率×波長。波長越短，頻率越大。。頻率越大，光波的能量越大。這就是為什么電子顯微鏡的功率越大，能看到的東西越小。顏色取決于物體能反射光的波長的長短當(dāng)你看到的物體小于較小可見光的波長，那它就是沒有顏色的。。。因?yàn)轭伾侨庋蹖?duì)于可見光頻率在大腦中的投影。。。。所以只能把他們統(tǒng)一變?yōu)楹诎?。。。沒有顏色不是透明的意思，它們不是肉眼可見顏色的定義中包含的。雙光子顯微鏡成像技術(shù)及不同轉(zhuǎn)基因小鼠開展對(duì)多種臟器的成像研究。國外激光雙光子顯微鏡光損傷

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。美國熒光激光雙光子顯微鏡原理

Itrytoexplainwhytwo-photonmicroscopyhasadeeperimagingdepththanone-photonmicroscopy,intheareaofbiomedicalimaging.Manyofthebiomedicalimagingmodalities,nomatterone-photon(confocal)ormulti-photon(two-photon),uselasersaslightsourceandrequirecompatiblefluorescentdyes.Fluorescentdyeshavetheirownexcitationwavelength,andtheycaneitherbeexcitedbyasinglephotonwiththephotonenergyofthatexcitationwavelength(E=hv=h*c/λ);orbytwophotons,arrivingalmostatthesametime,buteachwithapproximatelyhalfoftheenergy,henceofdoublewavelengththanone-photon(0.5E->2λ).Theformeristheprincipleofone-photonmicroscopyandthelatteristheprincipleoftwo-photonmicroscopy.Whenimagingthesamefluorescentdye,sincetwo-photoncoulduseapproximatelydoubledwavelengthcomparedwithsingle-photon,two-photoncanobviouslypenetrateddeeperintothetissueduetolessscattering(longerwavelength,lessscattering).美國熒光激光雙光子顯微鏡原理