利用钙成像技术记录大脑活动,随着功能光学成像技术的发展,神经学家们已经可以研究脑区和神经元内部的工作情况。功能钙成像技术就是其中之一,其主要原理是将外源性荧光信号和生理现象耦合起来——通过荧光染料信号的改变反映细胞内游离钙离子浓度,以此细胞的功能状态。目前它被广泛应用于实时监测一群相关神经元内钙离子的变化,从而判断其功能活动。该技术的出现使得科学家可以亲眼目睹神经信号在神经网络之中时间和空间上的传递穿梭。双光子显微镜不需要共聚焦细孔,提高了荧光检测效率。国内ultimainvestigator双光子显微镜商家电话
双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主提出,30年后因为有了激光才得到实验验证,但是到WinfriedDenk发明双光子显微镜又用了将近30年。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用,首先要了解其中的非线性过程。双光子吸收相当于和频产生非线性过程,这要求极高的电场强度,而电场取决于聚焦光斑大小和激光脉宽。聚焦光斑越小,脉宽越窄,双光子吸收效率越高。对于衍射极限显微镜,聚焦在样品上的光斑大小只和物镜NA和激光波长有关,所以关键变量只剩下激光脉宽。基于以上分析,能够以高重频(100MHz)输出超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光器成了双光子显微镜的标准激发光源。这也再次说明双光子显微镜的优势:只有焦平面处才能形成双光子吸收,而焦平面之外由于光强低无法被激发,所以双光子成像更清晰。WinfriedDenk初使用的光源是染料飞秒激光器(100fs脉宽、630nm可见光波长)。虽然染料激光器对于实验室演示尚可,但是使用很不方便所以远未实现商用。很快双光子显微镜的标配光源就变成了飞秒钛宝石激光器。除了固态光源优势,钛宝石激光器还具有较宽的近红外波长调谐范围,而近红外相比可见光穿透更深,对生物样品损伤更小。美国ultima2PPLUS双光子显微镜荧光探测上海双光子显微镜就找因斯蔻浦。
美国霍华德·休斯医学研究所在Janelia Farm ResearchCampus的吉娜博士小组与来自中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室的王琛博士较近成功将一种新的自适应光学的方法和双光子显微镜结合,研制出一种新的自适应光学双光子荧光显微镜。通过校正小鼠大脑的像差,在视觉皮层的不同深度处均获得了提高数倍的成像分辨率和信号强度,明显改进了成像质量,使得原来在鼠脑中不可见或者模糊的细节变得清晰可见,她们成功将该方法应用于老鼠视觉皮层第五层(约500µm)的形貌结构成像和钙离子功能成像。这一新的自适应光学方法,使得在小鼠深层区域成像中获得近衍射极限的成像分辨率成为现实。这一成果发表在较新一期的《Nature Methods》。
从双光子的原理和特点我们就可以明显的得出双光子的优点:☆光损伤小:由于双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为激发光源,这一波段的光对细胞和组织的光损伤小,适用于长时间的研究;☆穿透能力强:相对于紫外光,可见光和近红外光都具有更强的穿透能力,因而受生物组织散射的影响更小,解决对生物组织中深层物质的层析成像研究问题;☆高分辨率:由于双光子吸收截面很小,只有在焦平面很小的区域内可以激发出荧光,双光子吸收局限于焦点处的体积约为波长3次方的范围内;☆漂白区域小:由于激发只存在于交点处,所以焦点以外的区域都不会发生光漂白现象;☆荧光收集率高:与共聚焦成像相比,双光子成像不需要光学滤波器(共焦),这样就提高了对荧光的收集率,而收集率的提高直接导致图像对比度的提高;☆图像对比度高:由于荧光波长小于入射波长,因而瑞利散射产生的背景噪声只有单光子激发时的1/16,降低了散射的干扰;☆光子跃迁具有很强的选择激发性,所以可以对生物组织中一些特殊物质进行成像研究;双光子显微镜是结合了双光子激发技术和激光扫描共聚显微镜。
而配合了双光子激发技术,激光共聚扫描显微镜则能更好得发挥功效。那么,什么是双光子激发技术呢?在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收2个长波长的光子使电子跃迁到较高能级,经过一个很短的时间后,电子再跃迁回低能级同时放出一个波长为长波长一半的光子(P=h/λ)。利用这个原理,便诞生了双光子激发技术。双光子显微镜使用长波长脉冲激光,通过物镜汇聚,由于双光子激发需要很高的光子密度,而物镜焦点处的光子密度是比较高的,所以只有在焦点处才能发生双光子激发,产生荧光,该点产生的荧光再穿过物镜,被光探头接收,从而达到逐点扫描的效果。双光子显微镜成像技术及不同转基因小鼠开展对多种脏器的成像研究。美国bruker双光子显微镜供应商
双光子显微镜在组织透明化成像中应用;国内ultimainvestigator双光子显微镜商家电话
在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制专项《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的支持下,北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民医学科学院组成跨学科团队,历经三年多的协同奋战,成功研制新一代高速分辨微型化双光子荧光显微镜,并获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。原始论文于5月29日在线发表于自然杂志子刊Nature Methods (IF 25.3),相关技术文档同步发表于Protocol Exchange (DOI: 10.1038/protex.2017.048),并已申请多项。国内ultimainvestigator双光子显微镜商家电话
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