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)。雖然染料激光器對于實驗室演示尚可，但是使用很不方便所以遠未實現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標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諧范圍，而近紅外相比可見光穿透更深，對生物樣品損傷更小。下圖是Thorlabs的雙光子和三光子顯微鏡配置，鈦寶石飛秒可調諧激光器位于平臺較左邊。科學家正在從雙光子轉向三光子顯微鏡。1996年，Chris Xu在康奈爾大學(Denk同導師實驗室)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和更短的激光脈沖，而傳統(tǒng)的鈦寶石激光器難以達到這些要求，但是對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一些具有特性的染料細胞進行實驗，還有一些短波長可以利用雙光子特性進行特定實驗。美國熒光激光雙光子顯微鏡原理

雙光子顯微鏡是結合了雙光子激發(fā)技術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或是熒光染料，使其發(fā)出熒光。相比普通光學顯微鏡，熒光顯微鏡運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。而當被檢物體過厚時，從不同深度發(fā)出的熒光都會打在物鏡上，使觀察到的像模糊、發(fā)虛，無法清楚的知道被檢物體的結構。而激光掃描共聚顯微鏡就是在熒光顯微鏡的基礎上，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，對標本焦平面上每一點進行掃描。組織樣品中的熒光物質受到刺激后發(fā)出的熒光經(jīng)原來入射光路直接反向回到分光鏡，通過探測孔時先聚焦，然后被光探頭收集，轉化為信號輸送到計算機進行處理。這個裝置能讓通過探測***的只有焦平面上發(fā)出的熒光，使成像更為清晰準確，同時通過改變物鏡的焦距，能對不同焦平面進行掃描，通過計算機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；

細胞內(nèi)鈣離子作為重要的信號分子其作用具有時間性和空間性。當個細胞興奮時，產(chǎn)生了一個電沖動，此時，細胞外的鈣離子流入該細胞內(nèi)，促使該細胞分泌神經(jīng)遞質，神經(jīng)遞質與相鄰的下一級神經(jīng)細胞膜上的蛋白分子結合，促使這一級神經(jīng)細胞產(chǎn)生新的電沖動。以此類推，神經(jīng)信號便一級一級地傳遞下去，從而構成復雜的信號體系，終形成學習、記憶等大腦的高級功能。在哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子同樣扮演著重要的信號分子的角色。靜息狀態(tài)下大部分神經(jīng)元細胞內(nèi)鈣離子濃度約為50-100nM，而細胞興奮時鈣離子濃度能瞬間上升10-100倍，增加的鈣離子對于突觸囊泡胞吐釋放神經(jīng)遞質的過程必不可少。眾所周知，只有游離鈣才具有生物學活性，而細胞質內(nèi)鈣離子濃度由鈣離子的內(nèi)外流平衡所決定，同時也受鈣結合蛋白的影響。細胞外鈣離子內(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度表現(xiàn)出來，以反映神經(jīng)元活性。該方法可以同時觀察多個功能或位置相關的腦細胞。

雙光子顯微鏡是結合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術的一種新技術。雙光子激發(fā)的基本原理是：在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時吸收2個長波長的光子，在經(jīng)過一個很短的所謂激發(fā)態(tài)壽命的時間后，發(fā)射出一個波長較短的光子；其效果和使用一個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1mm的組織區(qū)域；因信號背景比高，而具有更高的對比度；因激發(fā)體積小，具有定點激發(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領域研究中，它能對樣品進行三維觀察。

光學顯微鏡和電子顯微鏡本質的區(qū)別在于，光學顯微鏡：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，在于一個基本的原理，光的衍射。。。光波是一個有趣的東西，其中有一項，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，有這個物體和沒這個物體，在這種情況下，光是不會發(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，用光學顯微鏡，無論你放大多少倍，也是看不見的。因為光繞過去了。。。光的衍射為了克服這個問題，科學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。。。因為顏色是肉眼對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及不同轉基因小鼠開展對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，同樣每個時刻只有焦平面上一個點的信號被探測，并且連焦平面外的熒光信號也不會有。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