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。这种双光子显微镜的视场是普通显微镜的10倍。美国bruker双光子显微镜光子探测
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。国外布鲁克双光子显微镜代理商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。
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。
和很多伟大的科学发明一样,双光子显微镜的出现也有一点偶然,但正是那瞬间的灵感为生物科学尤其是神经科学带来了一种**性的成像技术:双光子激发荧光显微镜。
1990年初,当Winfried Denk刚从康奈尔大学博士毕业准备前往瑞士读博后时,他看了一本关于激光扫描显微镜的书,从中了解到非线性光学效应——强光和物质的相互作用。当时,Denk有同事研究生物样品中的钙离子但苦于没有强大的紫外激光器和光学元件,于是他就想到如果使用双光子吸收就能够绕开紫外,换言之,与其通过一个紫外光子激发标记的钙离子,通过两个双倍波长的可见光光子也能激发相同的荧光。 如果已经有了飞秒光,就可以几套双光子显微镜共享一台,只需分光即可。
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。
双光子显微镜将得到更大的发展与更广的应用。美国ultima双光子显微镜的成像视野
双光子显微镜角膜成像;美国bruker双光子显微镜光子探测
光学显微镜和电子显微镜本质的区别在于,
光学显微镜:用的是可见光
电子显微镜:用的是高频电子射波
有什么区别,在于一个基本的原理,光的衍射。。。
光波是一个有趣的东西,其中有一项,如果物体的体积小于光的波长,光一般可以绕过去,不发生明显变化。也就是说,有这个物体和没这个物体,在这种情况下,光是不会发生明显改变的。
可见光的波长(肉眼):380~780纳米,也就是,如果比380纳米还要小的东西,用光学显微镜,无论你放大多少倍,也是看不见的。因为光绕过去了。。。光的衍射为了克服这个问题,科学家用波长更短的光去照射物体,也是就被观测物。比如10纳米级的光,这样,就能看到我们用肉眼无论如何都看不见的东西。这就是电子显微镜
多说一句,光速是不变的。光速=频率×波长。波长越短,频率越大。。频率越大,光波的能量越大。这就是为什么电子显微镜的功率越大,能看到的东西越小。颜色取决于物体能反射光的波长的长短
当你看到的物体小于较小可见光的波长,那它就是没有颜色的。。。因为颜色是肉眼对于可见光频率在大脑中的投影。。。。所以只能把他们统一变为黑白。。。没有颜色不是透明的意思,它们不是肉眼可见颜色的定义中包含的 美国bruker双光子显微镜光子探测
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