飛秒激光多光子顯微鏡原理

神經(jīng)科學(xué)重要的研究工具-多光子顯微鏡作為神經(jīng)科學(xué)重要的研究工具，近年來發(fā)展快速，品牌也眾多。我們通常都是在一間開著冷氣的房間里的超大防震臺上見過這樣一套設(shè)備。臺面上復(fù)雜的光路也讓我們在使用中小心翼翼，生怕弄壞了哪里而無從修復(fù)。你是否想象過一臺放在書桌邊上就能使用的多光子顯微鏡，一臺跟普通顯微鏡一樣操作簡便的多光子顯微鏡，一臺不用擔(dān)心會碰壞的多光子顯微鏡，一臺可以在不同實驗室之間搬來搬去的多光子顯微鏡，一臺可以從任意角度進(jìn)行觀察掃描的多光子顯微鏡？滔博生物TOP-Bright是一家集研發(fā)，生產(chǎn)，銷售于一體的專注于神經(jīng)科學(xué)產(chǎn)品及致力于向高校、科研機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域提供實驗室一體化方案的高科技企業(yè)。業(yè)務(wù)服務(wù)范圍已遍布至全國各地幾百家實驗室。目前公司主營產(chǎn)品是享譽全球的國際品牌和產(chǎn)品,這些儀器設(shè)備都是科學(xué)研究所必備且不可替代的基礎(chǔ)儀器多光子顯微鏡，為疾病診斷和藥物研發(fā)提供強(qiáng)大支持。飛秒激光多光子顯微鏡原理

細(xì)胞在受到外界刺激時，隨著刺激時間的增長，即使刺激繼續(xù)存在，Ca2+熒光信號不但不會繼續(xù)增強(qiáng)，反而會減弱，直至恢復(fù)到未加刺激物時的水平。對于細(xì)胞受精過程中Ca2+熒光信號的變化情況，研究發(fā)現(xiàn)，配了在粘著過程中，Ca2+熒光信號未發(fā)生任何變化，而配子之間發(fā)生融合作用時，Ca2+熒光信號強(qiáng)度卻會出現(xiàn)一個不穩(wěn)定的峰值，并可持續(xù)幾分鐘。這些現(xiàn)象，對研究受精發(fā)育的早期信號及Ca2+在卵細(xì)胞和受精卵的發(fā)育過程中的作用具有重要的意義。在其它一些生理過程如細(xì)胞分裂、胞吐作用等等，Ca2+熒光信號強(qiáng)度也會發(fā)生很強(qiáng)的變化。清醒動物多光子顯微鏡應(yīng)用從雙光子到三光子甚至四光子，這種非線性成像技術(shù)通常也被統(tǒng)稱為多光子顯微鏡。

快速光柵掃描有多種實現(xiàn)方式，使用振鏡進(jìn)行快速2D掃描，將振鏡和可調(diào)電動透鏡結(jié)合在一起進(jìn)行快速3D掃描，但可調(diào)電動透鏡由于機(jī)械慣性的限制在軸向無法快速進(jìn)行焦點切換，影響成像速度，現(xiàn)可使用空間光調(diào)制器（SLM）代替。遠(yuǎn)程聚焦也是一種實現(xiàn)3D成像的手段，如圖2所示。在LSU模塊中，掃描振鏡進(jìn)行橫向掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過調(diào)控M的位置實現(xiàn)軸向掃描。該技術(shù)不僅可以校正主物鏡L2引入的光學(xué)像差，還可以進(jìn)行快速的軸向掃描。想要獲得更多神經(jīng)元成像，可以通過調(diào)整顯微鏡的物鏡設(shè)計來擴(kuò)大FOV，但是具有大NA和大FOV的物鏡通常重量較大，無法快速移動以進(jìn)行快速軸向掃描，因此大型FOV系統(tǒng)依賴于遠(yuǎn)程聚焦、SLM和可調(diào)電動透鏡。

隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是后基因組時代的到來，人們已經(jīng)能夠根據(jù)需要建立各種細(xì)胞模型，這為在體內(nèi)研究基因表達(dá)、分子間相互作用、細(xì)胞增殖、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、誘導(dǎo)分化、細(xì)胞凋亡和新生血管生成提供了良好的生物學(xué)條件。然而，盡管利用現(xiàn)有的分子生物學(xué)方法對基因表達(dá)與蛋白質(zhì)的相互作用進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，但仍然無法實現(xiàn)對蛋白質(zhì)和基因活性的實時動態(tài)監(jiān)測。在細(xì)胞的生理過程中，基因尤其是蛋白質(zhì)的表達(dá)、修飾和相互作用往往是可逆的、動態(tài)變化的。目前，分子生物學(xué)方法無法捕捉到蛋白質(zhì)和基因的這些變化，但獲得這些信息對于研究基因表達(dá)與蛋白質(zhì)的相互作用非常重要。因此，有必要發(fā)展一種動態(tài)、實時、連續(xù)監(jiān)測蛋白質(zhì)和基因活性的方法。多光子顯微鏡，提高樣品成像質(zhì)量，降低樣品損害程度。

2020年，TonmoyChakraborty等人提出了加速2PM軸向掃描速度的方法[2]。在光學(xué)顯微鏡中，物鏡或樣品緩慢的軸向掃描速度限制了體成像的速度。近年來，通過使用遠(yuǎn)程聚焦技術(shù)或電調(diào)諧透鏡(ETL)已經(jīng)實現(xiàn)了快速軸向掃描。但遠(yuǎn)程對焦時對反射鏡的機(jī)械驅(qū)動會限制軸向掃描速度，ETL會引入球差和高階像差，無法進(jìn)行高分辨率成像。為了克服這些限制，該小組引入了一種新的光學(xué)設(shè)計，可以將橫向掃描轉(zhuǎn)換為無球面像差的軸向掃描，以實現(xiàn)高分辨率成像。有兩種方法可以實現(xiàn)這種設(shè)計。***個可以執(zhí)行離散的軸向掃描，另一個可以執(zhí)行連續(xù)的軸向掃描。如圖3a所示，特定裝置由兩個垂直臂組成，每個臂具有4F望遠(yuǎn)鏡和物鏡。遠(yuǎn)程聚焦臂由振鏡掃描鏡(GSM)和空氣物鏡(OBJ1)組成，另一個臂(稱為照明臂)由浸沒物鏡(OBJ2)組成。兩個臂對齊，使得GSM與兩個物鏡的后焦平面共軛。準(zhǔn)直后的激光束經(jīng)偏振分束器反射進(jìn)入遠(yuǎn)程聚焦臂，由GSM進(jìn)行掃描，使OBJ1產(chǎn)生的激光焦點可以進(jìn)行水平掃描。突破傳統(tǒng)光學(xué)成像極限，多光子顯微鏡適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。美國離體多光子顯微鏡技術(shù)

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Ca2+是重要的第二信使，對于調(diào)節(jié)細(xì)胞的生理反應(yīng)具有極其重要的作用，開發(fā)和利用雙光子熒光顯微成像技術(shù)對Ca2+熒光信號進(jìn)行觀測，可以從某些方面對有機(jī)體或細(xì)胞的變化機(jī)制進(jìn)行分析，具有重要的意義。利用雙光子熒光顯微成像技術(shù)可以觀察細(xì)胞內(nèi)用熒光探針標(biāo)記的Ca2*的時間和空間的熒光圖像的變化，還可以觀察細(xì)胞某一層面或局部的（Ca2+）熒光圖像和變化。通過對單細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，Ca2+不僅在細(xì)胞局部區(qū)域間的分布是不均勻的，而且細(xì)胞內(nèi)各局部區(qū)域的不同深度或?qū)哟伍g也存在不同程度的Ca2+梯差即所謂的空間Ca2梯差。飛秒激光多光子顯微鏡原理