相比普通的显微镜电子显微镜可以观察尺度更小的东西,冷冻电镜更是可以观察有活性的生物大分子,而双光子显微镜有什么优势呢?它能做到什么普通光学显微镜做不到的事情吗?
原来,双光子显微镜可以精确穿透较厚标本进行定点、***观察!
由于电磁波的波长越短,粒子性越强,受散射影响也就越大。双光子显微镜将激发光源改为长波长激光,在增加了激光的穿透性的同时还减少了对细胞的毒性。除此之外,因为只有物镜焦点处能发生双光子激发效应,所以扫描的精确度极高,也能提高激发光效率,减少被扫描点之外的荧光物质消耗。
双光子显微镜的探测器,该怎么选用?国外ultimainvestigator双光子显微镜应用
从双光子到三光子科学家正在从双光子转向三光子显微镜。1996年,Chris Xu在康奈尔大学(Denk同导师实验室)读博期间发明了三光子显微镜,如果双光子吸收可行,那么三光子看起来也是自然的发展方向。
三光子成像使用更长的波长,大约在1.3和1.7微米,其成像深度也比双光子更深,目前记录约为2.2毫米,人类大脑皮层厚约4毫米。相比双光子显微镜,三光子还要求以较低重频使用更强和更短的激光脉冲,而传统的钛宝石激光器难以达到这些要求,但是对于掺镱光纤飞秒光参量放大器则非常容易,比如我们的Y-Fi光参量放大器(OPA)。 美国激光荧光双光子显微镜光刺激双光子显微镜比单光子共聚焦显微镜较大的不同在于无须使用孔限制光学散射;
双光子显微镜为什么穿透能力强?因为组织对可见光区域的较强吸收和散射带来两个严重的问题
第1个是激发光的减弱,
第2个就是另外就是由于物镜本身光的光学特性,单光子激发的背景较强,所以才有共聚焦系统提高成像的分辨率
因为组织对可见光区域的较强吸收和散射带来两个严重的问题
第1个是激发光的减弱,
第2个就是另外就是由于物镜本身光的光学特性,单光子激发的背景较强,所以才有共聚焦系统提高成像的分辨率
刚好双光子在这两点具有很大的优势上面的内容基本在谈到双光子优势都会相对说明,
在实际操作中成像的深度和样品的关系很大,
双光子成像利用高亮度的荧光标记材料,已经有做到mm级别的穿透深度
随着技术的发展,双光子显微镜的性能得到不断地优化,结合它的特点,大致可以分成深和活两个方面的提升。
深要想让激发激光进入更深的层面,大致可从两个方面入手,装置优化与标本改造。
关于装置优化,我们可以把激光束变得更细,使能量更加集中,就能让激光穿透更深。
关于标本,其中影响光传播的主要是物质吸收和散射,解决这个问题,我们需要对样本进行透明化处理。一种方法是运用某种物质将标本浸泡,使其中的物质(主要是脂质)被破坏或溶解。另一种方法是运用电泳将脂质电解,让标本“透明度”提高。高光子密度带来的高能量容易损伤细胞,所以双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量,其脉冲达到最大值所持续的周期只有十万亿分之一秒,而其频率可以达到80至100兆赫,这样即能达到双光子激发的高光子密度要求,又能不损伤细胞,使扫描能更好地进行。
这种双光子显微镜的视场是普通显微镜的10倍。
综上,FHIRM-TPM 2.0扩大了微型双光子显微镜的适用性和实用性,使神经科学家能够更自由地探索更多新的行为范式,包括身体运动、长时程的复杂过程,如学习和记忆,社会互动和恐惧条件反射,甚至是慢性疾病的进展和老化,如神经发生和再生,疾病进展和衰老,以破译大脑的奥秘。在一批“早鸟项目”中,该系统已被多个研究组应用于不同的模式动物和行为范式,如小鼠的社交新颖性识别、斑胸草雀受***调控后大脑特定神经元变化、新型神经递质乙酰胆碱探针的传导适应性分析以及猕猴三脑区成像等多项研究。依托两代微型化双光子成像技术,该团队还在南京市江北新区建立了规模化高通量脑功能成像的南京脑观象台(Nanjing Brian Observatory),于2020年12月10日举办了落成典礼。通过与世界范围内的神经科学家进行广合作,脑观象台现正在服务三十多个科研项目,成为开展大型脑科学问题研究的重要科研服务平台。
双光子显微镜还可以对一些具有双光子特性的染料细胞进行特定实验;ultimainvestigator双光子显微镜荧光寿命计数
双光子显微镜是结合了双光子技术和扫描共聚显微镜的一种新型荧光显微镜;国外ultimainvestigator双光子显微镜应用
2008年钱永健等人由于荧光蛋白(GFP,绿色荧光蛋白)的发现和使用,获得了诺贝尔化学奖,是对荧光成像技术的一次巨大肯定和推动。光学成像本身具有高分辨率、高通量、非侵入和非毒性等特点,再与荧光蛋白以及荧光染料等标记物在细胞中的定位与表达技术相结合,使得科学家可以特异性的分辨生物体乃至细胞内部不同结构与成分,并且能够在生命体和细胞仍具有活性的状态下(状态)对其功能进行动态观察。这就使得荧光成像技术成为了无可替代的,生物学家现今较为重要的技术手段之一。 目前,大多数细胞生物学和生理学研究主要还是在离体培养的细胞体系中研究。然而与细胞生物学研究有所不同的是,大脑的功能研究的整体性和原位性显得更加关键:只研究分离的神经元无法解释神经系统的功能和规律。由于被观测的信号会受到样本组织的散射和吸收,根本无法穿透如此深的组织进行成像。而双光子显微镜(Two-photon Microscopy,简称TPM)的发明,则为此类研究带来了希望。双光子显微镜特有的非线性光学特性,再加上其工作波长处在红外区域等特点,令其在生物体组织内的穿透深度较大提高,使得双光子显微镜成为神经科学家进行神经成像较理想的工具。 国外ultimainvestigator双光子显微镜应用
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