双光子显微镜的优势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。双光子显微镜有哪些应用呢?进口ultima双光子显微镜用途
指示剂是如何负载细胞,目前有三种在神经元上填充钙离子指示剂的方法,且都可以用于体内和体外研究。第一种方法是利用玻璃吸管将膜渗透性盐或葡聚糖形式的指示剂注入单个神经元中。此方法方便实验者控制单个神经元内的钙离子指示剂浓度且信噪比较高。第二种是利用“批量加载”的方法将钙离子指示剂染料负载神经元,观察对象为一群神经元。尽管此方法可能导致一些胶质细胞也被指示剂所标记,但明显提高了整体神经元的标记百分比,使研究者得以观察到一群神经元内动作电位相关性的活动。第三种也较为常用,通过病毒转染的方式使其基因编码钙离子指示剂。(A)单细胞注射法;(B)networkloading法;(C)通过病毒转染使其基因编码钙离子指示剂(expressionofgeneticallyencodedcalciumindicators,GECI)ultima2PPLUS双光子显微镜分辨率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;
首先我们来简单介绍一下激光扫描共聚焦和双光子这两种当红的显微成像技术。激光扫描共聚焦显微技术,是荧光显微成像的一种,用于激发样品的荧光信号并对其放大成像。在激光扫描共聚焦显微镜中,样品焦平面上每一时刻只有一个点被激发光照射,纵然焦平面外也有激发光照射,但通过探测器前的(pinhole),有焦平面上的荧光信号能被探测器接收。也就是说,每个时刻,只有焦平面上一个点的信号被探测。通过点扫描的方式,一个个点的信号就可以组合出终的图像。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。不同的是,其采用的激发光波长较长,只有当两个(或更多)激发光光子几乎同时轰击荧光探针的时候才可能激发出荧光信号。所以只有在光子密度特别大的焦点,出才会激发出荧光。也就是说,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。
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,在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后,发射出一个波长较短的光子;其效果和使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分子是相同的。双光子激发需要很高的光子密度,为了不损伤细胞,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,其脉冲宽度只有 100 飞秒,而其周期可以达到 80至100兆赫兹。在使用高数值孔径的物镜将脉冲激光的光子聚焦时,物镜的焦点处的光子密度是比较高的,双光子激发只发生在物镜的焦点上,所以双光子显微镜不需要共聚焦,提高了荧光检测效率。双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为光源;
双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主Maria Goeppert Mayer提出,30年后因为有了激光才得到实验验证,但是到Winfried Denk发明双光子显微镜又用了将近30年。
要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用,首先要了解其中的非线性过程。双光子吸收相当于和频产生非线性过程,这要求极高的电场强度,而电场取决于聚焦光斑大小和激光脉宽。聚焦光斑越小,脉宽越窄,双光子吸收效率越高。对于衍射极限显微镜,聚焦在样品上的光斑大小只和物镜NA和激光波长有关,所以关键变量只剩下激光脉宽。基于以上分析,能够以高重频(100 MHz)输出超短脉冲(100 fs量级)的飞秒激光器成了双光子显微镜的标准激发光源。这也再次说明双光子显微镜的优势:只有焦平面处才能形成双光子吸收,而焦平面之外由于光强低无法被激发,所以双光子成像更清晰。 双光子显微镜在各领域研究中已有许多成功实例;荧光激光双光子显微镜
的优势来源于其双光子光源的非线性光学效应;进口ultima双光子显微镜用途
在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制专项《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的支持下,北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民医学科学院组成跨学科团队,历经三年多的协同奋战,成功研制新一代高速分辨微型化双光子荧光显微镜,并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。原始论文于5月29日在线发表于自然杂志子刊Nature Methods (IF 25.3),相关技术文档同步发表于Protocol Exchange (DOI: 10.1038/protex.2017.048),并已申请多项。进口ultima双光子显微镜用途
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