许多生物医学成像方式,无论是单光子(共聚焦)或多光子(双光子),都使用激光作为光源,并需要兼容的荧光染料。荧光染料有自己的激发波长,它们可以被单个光子以该激发波长的光子能量激发(E=hv=h*c/λ);或者是两个几乎同时到达的光子,但每个光子的能量约为单光子能量的一半,即双波长(0.5E->2λ)。前者是单光子显微镜原理,后者是双光子显微镜原理。在对同一种荧光染料进行成像时,双光子与单光子相比可以使用约两倍波长,因此双光子的散射较小(波长较长,散射较小),可以更深入地渗透到组织中。双光子显微镜放大倍数是多少?激光荧光双光子显微镜光毒性
Denk很快就将双光子显微镜用于神经元成像,而1997年在Svoboda测量完整老鼠大脑的锥体神经元的感官刺激诱导树突钙离子动态后,双光子显微镜的潜能开始完全凸显。值得一提的是,霍华德·休斯医学院Svoboda实验室和Thorlabs在2016年合作推出了一种强大的多光子介观显微镜,其成像视场达到5毫米,能够跨多个脑区进行高速功能成像。根据清华大学单一采购来源的**指导意见:这种显微镜的视场是普通双光子显微镜的10倍。30年来,双光子显微镜已成为较厚***生物组织三维成像中不可或缺的工具。从双光子到三光子甚至四光子,这种非线性成像技术通常也被统称为多光子显微镜。下图统计了自1990年以来每年发表的多光子显微镜文章数量,发展速度可见一斑。国外ultima2PPLUS双光子显微镜授权公司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。
双光子显微镜的应用由于适合动态成像,双光子显微镜一经问世便很快应用于神经科学、遗传发育、药物代谢等领域。双光子显微镜能够在细胞甚至是亚细胞水平上对***神经细胞的形态结构、离子浓度、细胞运动、分子相互作用等进行直接成像监测,而且能够进行光裂解、光转染和光损伤等光学操纵。同时,双光子显微镜能动态监测**在体内的生长和转移,并可对**治疗过程中*细胞的变化进行实时观测和评估。随着光学技术、荧光探针技术、计算机成像技术的发展,双光子显微技术会得到更大提升和更广的应用,未来不仅用于基础研究,也将扩展到临床应用。双光子显微镜可以进行厚的组织样品拍摄。
在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收两个长波长的光子,然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如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH),在单光子激发时,在波长为350 nm光的激发下发出450 nm荧光;而在双光子激发时,可采用700 nm的激发光得到450 nm荧光。由于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,从而可以减少光漂白和光毒性带来的不利影响。双光子显微镜明日之星--FemtoFiber ultra 920 。美国ultimainvestigator双光子显微镜荧光探测
双光子显微镜使用长波长脉冲光,是通过物镜汇聚的。激光荧光双光子显微镜光毒性
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。与单光子显微镜(如共聚焦显微镜)相比,双光子显微镜可以使用约二倍波长的激光去激发荧光团。长波长光束散射程度低(RayleighScattering),所以穿透能力强。激光荧光双光子显微镜光毒性