進(jìn)口熒光雙光子顯微鏡原理

像差問題一直困擾著光學(xué)領(lǐng)域的工作者。像差會使光波前發(fā)生形變，不僅降低成像的信噪比和分辨率，使得很多時候我們只能“霧里看花”，更甚者，產(chǎn)生贗像，或無法獲得有意義的圖像。像差問題對雙光子成像的影響尤為嚴(yán)重，因為在那里，熒光信號對入射光強(qiáng)度的依賴是平方關(guān)系，一旦入射光波前形變，不僅聚焦強(qiáng)度大幅下降，成像分辨率也急劇惡化。因此，如何解決像差問題，實現(xiàn)，例如小鼠大腦皮層，深層區(qū)域的高質(zhì)量成像成為光學(xué)成像發(fā)展中相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的問題之一。于雙光子激發(fā)需要兩個光子同時到達(dá)，因此只有在焦點(diǎn)附近的樣品區(qū)域才會激發(fā)，從而實現(xiàn)三維成像和高分辨率。進(jìn)口熒光雙光子顯微鏡原理

雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因為有了激光才得到實驗驗證，但是到WinfriedDenk發(fā)明雙光子顯微鏡又用了將近30年。要理解雙光子的技術(shù)挑戰(zhàn)和飛秒激光發(fā)揮的重要作用，首先要了解其中的非線性過程。雙光子吸收相當(dāng)于和頻產(chǎn)生非線性過程，這要求極高的電場強(qiáng)度，而電場取決于聚焦光斑大小和激光脈寬。聚焦光斑越小，脈寬越窄，雙光子吸收效率越高。對于衍射極限顯微鏡，聚焦在樣品上的光斑大小只和物鏡NA和激光波長有關(guān)，所以關(guān)鍵變量只剩下激光脈寬?；谝陨戏治觯軌蛞愿咧仡l(100MHz)輸出超短脈沖(100fs量級)的飛秒激光器成了雙光子顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)光源。這也再次說明雙光子顯微鏡的優(yōu)勢：只有焦平面處才能形成雙光子吸收，而焦平面之外由于光強(qiáng)低無法被激發(fā)，所以雙光子成像更清晰。WinfriedDenk初使用的光源是染料飛秒激光器(100fs脈寬、630nm可見光波長)。雖然染料激光器對于實驗室演示尚可，但是使用很不方便所以遠(yuǎn)未實現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標(biāo)配光源就變成了飛秒鈦寶石激光器。除了固態(tài)光源優(yōu)勢，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長調(diào)諧范圍，而近紅外相比可見光穿透更深，對生物樣品損傷更小。國外熒光激光雙光子顯微鏡成像技術(shù)雙光子顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)研究中有廣泛的應(yīng)用，可以觀察細(xì)胞內(nèi)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)分布、細(xì)胞活動等。

通過對微型光學(xué)系統(tǒng)的重新設(shè)計，F(xiàn)HIRM-TPM2.0成像視野擴(kuò)大至420×420平方微米，微型物鏡的工作距離擴(kuò)展至1毫米，以實現(xiàn)非侵入式成像；嵌入了可拆卸的快速軸向掃描模塊，實現(xiàn)了180微米深度的三維體成像和多平面快速切換的實時成像。該模塊由一個快速的電動變焦透鏡和一對中繼透鏡組成，在不同深度成像時保持放大倍率恒定。其中，變焦模塊重量1.8克，研究人員可根據(jù)實驗需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探頭還可整體即時拔插，極大地簡化了實驗操作，避免了長周期實驗時對動物的干擾。在重復(fù)裝卸探頭追蹤同一批神經(jīng)元時，視場旋轉(zhuǎn)角小于0.07弧度，邊界偏差小于35微米。

其實電子顯微鏡相比光學(xué)顯微鏡的重要優(yōu)勢或意義不在于放大倍數(shù)，而在于超高的分辨率。這兩者是不同的。一般來說，觀察時，除了放大物體外，還需要將其與其他相鄰物體區(qū)分開來。如果兩個相鄰粒子的圖像在光學(xué)顯微鏡下，即使放大很大程度，也可能看到兩個相交的亮點(diǎn)(艾里斑)，沒有明顯的邊界(更不用說細(xì)節(jié)了)，說明分辨率不夠。沒有分辨率談放大是沒有意義的。光學(xué)顯微鏡的分辨率極限是阿貝極限，大約是光波波長的一半。通常稱之為光學(xué)顯微鏡的放大極限，但準(zhǔn)確的說應(yīng)該叫分辨率極限。原因是光的衍射，根本原因是光的波粒二象性。電子衍射實驗證明了電子的波動性，所以在電子顯微鏡中用電子代替光是可能的。電子顯微鏡也有很多種，被攝體像REM。也有根據(jù)衍射規(guī)律觀察的電子顯微鏡，如低能電子衍射(LEED)和透射電子顯微鏡(TEM)。兩者主要用于觀察晶體，根據(jù)晶體的周期特性在倒易空間產(chǎn)生衍射像，借助埃爾沃德球或傅里葉變換將其變換到實空間，即可得到真實的晶體表面像。上海雙光子顯微鏡就找因斯蔻浦。

WinfriedDenk較初使用的光源是染料飛秒激光器(100fs脈寬、630nm可見光波長)。雖然染料激光器對于實驗室演示尚可，但是使用很不方便所以遠(yuǎn)未實現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標(biāo)配光源就變成了飛秒鈦寶石激光器。除了固態(tài)光源優(yōu)勢，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長調(diào)諧范圍，而近紅外相比可見光穿透更深，對生物樣品損傷更小。下圖是Thorlabs的雙光子和三光子顯微鏡配置，鈦寶石飛秒可調(diào)諧激光器位于平臺較左邊。科學(xué)家正在從雙光子轉(zhuǎn)向三光子顯微鏡。1996年，ChrisXu在康奈爾大學(xué)(Denk同導(dǎo)師實驗室)讀博期間發(fā)明了三光子顯微鏡，如果雙光子吸收可行，那么三光子看起來也是自然的發(fā)展方向。三光子成像使用更長的波長，大約在1.3和1.7微米，其成像深度也比雙光子更深，目前記錄約為2.2毫米，人類大腦皮層厚約4毫米。相比雙光子顯微鏡，三光子還要求以較低重頻使用更強(qiáng)和更短的激光脈沖，而傳統(tǒng)的鈦寶石激光器難以達(dá)到這些要求，但是對于摻鐿光纖飛秒光參量放大器則非常容易，比如我們的Y-Fi光參量放大器(OPA)。雙光子顯微鏡使用的是高能量鎖模脈沖器。國外雙光子顯微鏡廠家

雙光子顯微鏡還可以對一些具有特性的染料細(xì)胞進(jìn)行實驗，還有一些短波長可以利用雙光子特性進(jìn)行特定實驗。進(jìn)口熒光雙光子顯微鏡原理

隨著技術(shù)的發(fā)展，雙光子顯微鏡的性能不斷優(yōu)化。結(jié)合其特點(diǎn)，大致可以分為兩個方面:深入和主動改進(jìn)。為了使激發(fā)激光進(jìn)入更深的層次，可以從器件優(yōu)化和標(biāo)本改造兩個方面入手。關(guān)于器件的優(yōu)化，我們可以把激光束做得更細(xì)，集中能量，讓激光穿透得更深。對于樣品，物質(zhì)的吸收和散射是影響光傳播的主要因素。為了解決這個問題，我們需要將樣本透明化。一種方法是用某種物質(zhì)浸泡標(biāo)本，使其中的物質(zhì)(主要是脂質(zhì))被破壞或溶解。另一種方法是通過電泳電解脂類，從而提高標(biāo)本的“透明度”。進(jìn)口熒光雙光子顯微鏡原理