双光子显微成像技术不是什么新技术,早在20多年前就有了,目前已经在生命科学和材料科学中广泛应用。几年前双光子**过期后,已经推出自己的双光子显微镜的厂家估计不少于10家以上。即便如此,世界上很多实验室都搭双光子,自己搭的好处有很多,首先是便宜,尤其是实验室已经有飞秒激光器,那就更很省钱了。其次是灵活,可以选择针对特殊用途的搭配,改动也灵活。结束后的好处就是可以锻炼队伍,一趟走下来可以把新手带出来,后期维护也更加自由。当然坏处也不少,首先是操心,特别是第1次搭的时候,开始要想方案,后来要解决各种实际问题。其次是花时间,加上买配件的时间,比买一台现成的商业化双光子耗时长。现在已经有不少关于如何搭双光子显微镜的文章,各种protocol,大多是老外写的,中文的较少。其实完全自己搭一套好用的系统还是不容易的,尤其是没有经验的时候,容易走弯路,多花钱,也多花时间,再加上双光子的重要器件都需要从国外购买,在国内买这些东西耗时较长。因此,我想总结一下我们的经验,贴出来分享,希望能帮到想自己动手的实验室由于双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为激发光源,适用于长时间的研究。国内ultimainvestigator双光子显微镜的原理
对生物样品的三维观测是了解细胞功能的重要方法之一。目前已有的三维荧光成像技术包括光片显微成像技术、晶格光照明技术以及激光扫描显微成像技术(如共聚焦显微镜及双光子显微镜)等。其中激光扫描显微镜利用旋转盘可以进行多焦点的激光扫描,提高时间分辨率,而且有利于减少活细胞成像中的光损伤。本篇文献主要实现了可见光双光子激发及多焦点激光扫描的结合,终提高了3D延时扫描中的空间分辨率及成像对比度,同时这也是可见光双光子激发(v2PE)在超高分辨率显微镜中的应用。布鲁克双光子显微镜成像原理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。
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。
双光子之源:飞秒激光双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主MariaGoeppertMayer提出,30年后因为有了激光才得到实验验证,但是到WinfriedDenk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(100MHz)输出超短脉冲(100fs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。双光子显微镜还可以对一些具有双光子特性的染料细胞进行特定实验;
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。双光子显微镜将得到更大的发展与更广的应用。国外激光双光子显微镜供应商
双光子显微镜的应用中,该如何选择以及更好的使用PMT。国内ultimainvestigator双光子显微镜的原理
新一代微型化双光子荧光显微镜体积小,重只2.2克,适于佩戴在小动物头部颅窗上,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。相比单光子激发,双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势,其横向分辨率达到0.65μm,成像质量与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美,远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划重要团队所研发的微型化宽场显微镜。采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术,成像帧频已达40Hz(256*256像素),同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。此外,采用自主设计可传导920nm飞秒激光的光子晶体光纤,该系统实现了微型双光子显微镜对脑科学领域较广泛应用的指示神经元活动的荧光探针(如GCaMP6)的有效利用。 同时采用柔性光纤束进行荧光信号的接收,解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。未来,与光遗传学技术的结合,可望在结构与功能成像的同时,精细地操控神经元和神经回路的活动。国内ultimainvestigator双光子显微镜的原理