【科协 | 科普 】双光子显微镜：显微镜家族的隐秘“功臣”2017年10月4日，诺贝尔化学奖颁给了Jacques Dubochet、Joachim Frank 和 Richard Henderson，获奖理由是“研发冷冻电子显微镜，用于测定溶液中生物大分子高分辨率结构”。纵观整个科学史，显微镜技术的运用与发展是科学技术进步的重要一环，其中除了上面提到的冷冻电镜，其实还有一位“大功臣”——双光子显微镜。
这位“大功臣”的原理是什么？它是如何在显微镜领域做出巨大贡献的？具体又有怎样的现实应用呢？下面就给大家介绍一下~ 双光子显微镜的原理是什么？国外ultima双光子显微镜光损伤
双光子显微镜的优势：在深度组织中以较长时间对活细胞成像，双光子显微镜是当前之选。双光子和共聚焦显微镜都是通过激光激发样品中的荧光标记，使用探测器测量被激发的荧光。但是，共聚焦一般使用单模光纤耦合激光器，通过单光子激发荧光，而双光子使用飞秒激光器，通过几乎同时吸收两个长波光子激发荧光。下面是两种技术的对比图。双光子激发荧光的主要优势：双光子比共聚焦使用的更长的波长，所以对组织的损伤更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般为100微米，双光子则能达到250到500微米，甚至超过1毫米。另外，同时吸收两个光子意味只有较强度聚焦点处能被激发，所以不会损伤焦平面之外的组织，并且生成更清晰的图像。 美国双光子显微镜分辨率双光子显微镜不需要共聚焦，提高了荧光检测效率。
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。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。
双光子显微镜为什么穿透能力强？生物组织在近红外波段存在两个窗口,第1个近红外窗口对应波长在700nm-900nm,第2个近红外窗口对应波长在1000nm-1400nm之间。举例说明就是单晶硅对于可见光几乎是不透明的，但是对于红外波段就像是“水晶”一样通透性很好了。原因有两点：
1.生物组织对红外光的吸收弱，对可见光吸收强。类似的，平时用手电筒照射手指，会看到手通透红亮，也是由于生物组织对长波长的红光吸收少。
2.生物组织对红外光的散射弱。因为瑞利散射的强度反比于波长λ的四次方。类似的，早晨的太阳非常红，也就是因为长波长的红光穿透力更强。
这两点共同导致长波长的红外光比可见光对生物组织的穿透能力强。 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；
王爱民副教授结合工作实例，展示了双光子显微镜的研发与应用。历经3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，重量只为2.2克，这一微型显微镜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，该显微镜适于佩戴在小动物头部，可实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号，在大型动物上，还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。双光子显微成像的在生物医学研究和医疗领域应用有较大的应用前景，首先双光子显微镜能够进行细胞和组织结构成像，在亚微米级成像，此功能与目前市场上的共聚焦类显微镜性能类似；双光子显微成像能够实时、在体、原位、无创地，根据不同物质组份的光谱特性，区分成像；双光子显微镜能够进行生化指标成像，在无造影剂的前提下，利用自发荧光、二次谐波、荧光获得活细胞生化信息。双光子显微镜中，同样每个时刻只有焦平面上一个点的信号被探测，并且连焦平面外的荧光信号也不会有。激光荧光双光子显微镜应用
双光子显微镜的基本原理是：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。国外ultima双光子显微镜光损伤
其实电子显微镜相比于光学显微镜的重要优势或者存在的比较大意义，准确的来说，不在于放大倍数，而在于超高的分辨率。这两者是不同的。通俗的来说，就是进行观察的时候，除了要将物体放大，还需要能将它与相邻的其他物体分辨开来。如果两个相邻微粒的图像在光学显微镜下，即使放大到很大，看到的可能却是两个相交的亮斑（艾里斑），而没有明显的界限（更不用说细节了），这表示是分辨率不够。抛开分辨率谈放大倍数是没有意义的。
光学显微镜的分辨率极限是阿贝极限，约等于光波波长的一半，通常被说成是光学显微镜放大极限，其实准确地来说，应该叫做分辨率的极限。而其产生的原因是光的衍射，根本原因是光的波粒二象性。电子衍射实验证明了电子的波动性，于是用电子代替光的电子显微镜成为可能。
电子显微镜也有多种，题主说的是像REM的。电镜也存在用衍射规则观察的，比如低能电子衍射（LEED）和透射电镜（TEM）。两者主要用于观察晶体，根据其周期性的特点而生成倒易空间里的衍射图像，借助elward球或者傅里叶变换就可以转换到实空间，得到真正的晶体表面图像了。 国外ultima双光子显微镜光损伤
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