国内双光子显微镜成像原理

双光子显微镜

在各领域研究中已有许多成功实例；生物领域：贝尔实验室的Svoboda等人研究了大脑皮层神经元细胞内钙离子动力学情形。利用双光子显微镜观察到的现象证明了钙离子的增加依赖于肌体触发的钠离子作用电势。

信息领域：美国科学家Rentzepis提出了一种在现有二维光盘的基础上将数据储存扩展到三维空间。由于双光子激发具有作用精细体积小的特点，避免了层与层之间的互相干扰，较大地提高了数据储存密度。双光子显微镜已延伸到各个领域研究中，它能对样品进行三维观察，其基础双光子激发效应也具有极高的应用价值。我们可以相信，随着科技不断发展，其他技术的不断结合，双光子显微镜将得到更大的发展与更广的应用。 双光子显微镜（包括多光子显微镜）同样采用点扫描的方式得到图像。国内双光子显微镜成像原理

Winfried Denk较初使用的光源是染料飞秒激光器(100 fs脉宽、630 nm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。下图是Thorlabs的双光子和三光子显微镜配置，钛宝石飞秒可调谐激光器位于平台较左边。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)。ultima双光子显微镜应用双光子显微镜能够进行指标成像；

参考维基百科 Near-infrared window in biological tissue，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,第二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。

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，

第二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

通过对微型光学系统的重新设计，FHIRM-TPM 2.0成像视野扩大至420×420平方微米，微型物镜的工作距离扩展至1毫米，以实现非侵入式成像；嵌入了可拆卸的快速轴向扫描模块，实现了180微米深度的三维体成像和多平面快速切换的实时成像。该模块由一个快速的电动变焦透镜和一对中继透镜组成，在不同深度成像时保持放大倍率恒定。其中，变焦模块重量1.8克，研究人员可根据实验需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探头还可整体即时拔插，极大地简化了实验操作，避免了长周期实验时对动物的干扰。在重复装卸探头追踪同一批神经元时，视场旋转角小于0.07弧度，边界偏差小于35微米。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；

I try to explain why two-photon microscopy has a deeper imaging depth than one-photon microscopy, in the area of biomedical imaging. Many of the biomedical imaging modalities, no matter one-photon (confocal) or multi-photon (two-photon), use lasers as light source and require compatible fluorescent dyes. 

Fluorescent dyes have their own excitation wavelength, and they can either be excited by a single photon with the photon energy of that excitation wavelength (E=hv=h*c/λ); or by two photons, arriving almost at the same time, but each with approximately half of the energy, hence of double wavelength than one-photon (0.5E->2λ). The former is the principle of one-photon microscopy and the latter is the principle of two-photon microscopy.

When imaging the same fluorescent dye, since two-photon could use approximately doubled wavelength compared with single-photon, two-photon can obviously penetrated deeper into the tissue due to less scattering (longer wavelength, less scattering). 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。进口荧光激光双光子显微镜的原理

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。国内双光子显微镜成像原理

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的一种新型荧光显微镜，其原理大致是这样的：

首先，让我们来看看什么是荧光显微镜。荧光显微镜是以紫外线为光源，照射被检物体上的荧光物质或是荧光染料，使其发出荧光。相比普通光学显微镜，荧光显微镜运用了波长更短的紫外线，再将可见光过滤掉，提高了分辨力率。而当被检物体过厚时，从不同深度发出的荧光都会打在物镜上，使观察到的像模糊、发虚，无法清楚的知道被检物体的结构。而激光扫描共聚显微镜就是在荧光显微镜的基础上，增加了激光扫描装置，从而解决了上述问题。

激光共聚扫描显微镜脱离了传统光学显微镜的场光源和局部平面成像模式，采用激光束作光源，激光束经照明孔，经由分光镜反射至物镜，并聚焦于样品上，对标本焦平面上每一点进行扫描。组织样品中的荧光物质受到刺激后发出的荧光经原来入射光路直接反向回到分光镜，通过探测孔时先聚焦，然后被光探头收集，转化为信号输送到计算机进行处理。这个装置能让通过探测***的只有焦平面上发出的荧光，使成像更为清晰准确，同时通过改变物镜的焦距，能对不同焦平面进行扫描，通过计算机绘出普通显微镜无法观测的三维图像。

国内双光子显微镜成像原理

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