美國(guó)熒光雙光子顯微鏡成像技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，雙光子顯微鏡的性能得到不斷地優(yōu)化，結(jié)合它的特點(diǎn)，大致可以分成深和活兩個(gè)方面的提升。深要想讓激發(fā)激光進(jìn)入更深的層面，大致可從兩個(gè)方面入手，裝置優(yōu)化與標(biāo)本改造。關(guān)于裝置優(yōu)化，我們可以把激光束變得更細(xì)，使能量更加集中，就能讓激光穿透更深。關(guān)于標(biāo)本，其中影響光傳播的主要是物質(zhì)吸收和散射，解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要對(duì)樣本進(jìn)行透明化處理。一種方法是運(yùn)用某種物質(zhì)將標(biāo)本浸泡，使其中的物質(zhì)（主要是脂質(zhì)）被破壞或溶解。另一種方法是運(yùn)用電泳將脂質(zhì)電解，讓標(biāo)本“透明度”提高。高光子密度帶來(lái)的高能量容易損傷細(xì)胞，所以雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發(fā)出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，其脈沖達(dá)到最大值所持續(xù)的周期只有十萬(wàn)億分之一秒，而其頻率可以達(dá)到80至100兆赫，這樣即能達(dá)到雙光子激發(fā)的高光子密度要求，又能不損傷細(xì)胞，使掃描能更好地進(jìn)行。雙光子顯微鏡角膜成像。美國(guó)熒光雙光子顯微鏡成像技術(shù)

雙光子顯微鏡是結(jié)合了雙光子激發(fā)技術(shù)和激光掃描共聚顯微鏡的一種新型熒光顯微鏡，其原理大致是這樣的：首先，讓我們來(lái)看看什么是熒光顯微鏡。熒光顯微鏡是以紫外線(xiàn)為光源，照射被檢物體上的熒光物質(zhì)或是熒光染料，使其發(fā)出熒光。相比普通光學(xué)顯微鏡，熒光顯微鏡運(yùn)用了波長(zhǎng)更短的紫外線(xiàn)，再將可見(jiàn)光過(guò)濾掉，提高了分辨力率。而當(dāng)被檢物體過(guò)厚時(shí)，從不同深度發(fā)出的熒光都會(huì)打在物鏡上，使觀(guān)察到的像模糊、發(fā)虛，無(wú)法清楚的知道被檢物體的結(jié)構(gòu)。而激光掃描共聚顯微鏡就是在熒光顯微鏡的基礎(chǔ)上，增加了激光掃描裝置，從而解決了上述問(wèn)題。美國(guó)熒光雙光子顯微鏡成像技術(shù)雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖器。

單光子顯微技術(shù)是成熟的熒光顯微技術(shù)，但由于其使用的激發(fā)光波長(zhǎng)較短，成像深度有限；能量較大,會(huì)造成對(duì)熒光物質(zhì)的漂白,光毒性嚴(yán)重。激光共焦掃描顯微鏡由于共焦顯微鏡的孔徑很小,實(shí)現(xiàn)樣本三維成像要逐點(diǎn)掃描,成像速度慢,對(duì)樣本損害大,很難用于長(zhǎng)時(shí)間活細(xì)胞成像。而寬場(chǎng)顯微鏡能夠很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像,光漂白小,因而較早應(yīng)用于活細(xì)胞內(nèi)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，但寬場(chǎng)顯微鏡由于離焦信號(hào)的干擾,難以實(shí)現(xiàn)多維成像。雙光子熒光顯微鏡（Two-PhotonLaser-ScanningMicroscopy）。雙光子顯微成像技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的結(jié)合了共聚焦激光掃描顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新型非線(xiàn)性光學(xué)成像方法,采用長(zhǎng)波激發(fā)，能對(duì)組織進(jìn)行深層次成像。常用的比較好激發(fā)波長(zhǎng)大多位于800-900nm，而水、血液和固有組織發(fā)色團(tuán)對(duì)這個(gè)波段的光吸收率低，此外散射的激發(fā)光子不能激發(fā)樣品，因此背景第，光損傷小，適用于在體檢測(cè)。雙光子熒光成像技術(shù)能準(zhǔn)確定位細(xì)胞內(nèi)置入的微電極位置，從而觀(guān)察胞體、樹(shù)突甚至單個(gè)樹(shù)突棘的活性。研究者可完整的觀(guān)察神經(jīng)組織的分辨熒光圖像,甚至可以分辨神經(jīng)細(xì)胞單個(gè)樹(shù)突棘中的鈣分布。

高光子密度帶來(lái)的高能量容易損傷細(xì)胞，所以雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發(fā)出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，其脈沖達(dá)到最大值所持續(xù)的周期只有十萬(wàn)億分之一秒，而其頻率可以達(dá)到80至100兆赫，這樣即能達(dá)到雙光子激發(fā)的高光子密度要求，又能不損傷細(xì)胞，使掃描能更好地進(jìn)行。雙光子顯微鏡在各領(lǐng)域研究中已有許多成功實(shí)例生物領(lǐng)域：貝爾實(shí)驗(yàn)室的Svoboda等人研究了大腦皮層神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)鈣離子動(dòng)力學(xué)情形。利用雙光子顯微鏡觀(guān)察到的現(xiàn)象證明了鈣離子的增加依賴(lài)于肌體觸發(fā)的鈉離子作用電勢(shì)。信息領(lǐng)域：美國(guó)科學(xué)家Rentzepis提出了一種在現(xiàn)有二維光盤(pán)的基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存擴(kuò)展到三維空間。由于雙光子激發(fā)具有作用精細(xì)體積小的特點(diǎn)，避免了層與層之間的互相干擾，極大地提高了數(shù)據(jù)儲(chǔ)存密度。成像平臺(tái)倒置雙光子顯微鏡啟用顯微鏡自帶調(diào)焦設(shè)備。

雙光子顯微成像技術(shù)不是什么新技術(shù)，早在20多年前就有了，目前已經(jīng)在生命科學(xué)和材料科學(xué)中廣泛應(yīng)用。幾年前雙光子過(guò)期后，已經(jīng)推出自己的雙光子顯微鏡的廠(chǎng)家估計(jì)不少于10家以上。即便如此，世界上很多實(shí)驗(yàn)室都搭雙光子，自己搭的好處有很多，首先是便宜，尤其是實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有飛秒激光器，那就更很省錢(qián)了。其次是靈活，可以選擇針對(duì)特殊用途的搭配，改動(dòng)也靈活。好處就是可以鍛煉隊(duì)伍，一趟走下來(lái)可以把新手帶出來(lái)，后期維護(hù)也更加自由。當(dāng)然壞處也不少，首先是操心，特別是第1次搭的時(shí)候，開(kāi)始要想方案，后來(lái)要解決各種實(shí)際問(wèn)題。其次是花時(shí)間，加上買(mǎi)配件的時(shí)間，比買(mǎi)一臺(tái)現(xiàn)成的商業(yè)化雙光子耗時(shí)長(zhǎng)。現(xiàn)在已經(jīng)有不少關(guān)于如何搭雙光子顯微鏡的文章，各種protocol，大多是老外寫(xiě)的，中文的較少。其實(shí)完全自己搭一套好用的系統(tǒng)還是不容易的，尤其是沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的時(shí)候，容易走彎路，多花錢(qián)，也多花時(shí)間，再加上雙光子的重要器件都需要從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)，在國(guó)內(nèi)買(mǎi)這些東西耗時(shí)較長(zhǎng)。因此，我想總結(jié)一下我們的經(jīng)驗(yàn)，貼出來(lái)分享，希望能幫到想自己動(dòng)手的實(shí)驗(yàn)室，雙光子顯微鏡是結(jié)合了雙光子激發(fā)技術(shù)和激光掃描共聚顯微鏡。國(guó)外布魯克雙光子顯微鏡應(yīng)用

雙光子顯微鏡已成為較厚有生命體生物組織三維成像中不可或缺的工具。美國(guó)熒光雙光子顯微鏡成像技術(shù)

2008年錢(qián)永健等人由于熒光蛋白（GFP，綠色熒光蛋白）的發(fā)現(xiàn)和使用，獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，是對(duì)熒光成像技術(shù)的一次巨大肯定和推動(dòng)。光學(xué)成像本身具有高分辨率、高通量、非侵入和非毒性等特點(diǎn)，再與熒光蛋白以及熒光染料等標(biāo)記物在細(xì)胞中的定位與表達(dá)技術(shù)相結(jié)合，使得科學(xué)家可以特異性的分辨生物體乃至細(xì)胞內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)與成分，并且能夠在生命體和細(xì)胞仍具有活性的狀態(tài)下（狀態(tài)）對(duì)其功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀(guān)察。這就使得熒光成像技術(shù)成為了無(wú)可替代的，生物學(xué)家現(xiàn)今較為重要的技術(shù)手段之一。目前，大多數(shù)細(xì)胞生物學(xué)和生理學(xué)研究主要還是在離體培養(yǎng)的細(xì)胞體系中研究。然而與細(xì)胞生物學(xué)研究有所不同的是，大腦的功能研究的整體性和原位性顯得更加關(guān)鍵：只研究分離的神經(jīng)元無(wú)法解釋神經(jīng)系統(tǒng)的功能和規(guī)律。由于被觀(guān)測(cè)的信號(hào)會(huì)受到樣本組織的散射和吸收，根本無(wú)法穿透如此深的組織進(jìn)行成像。而雙光子顯微鏡（Two-photonMicroscopy，簡(jiǎn)稱(chēng)TPM）的發(fā)明，則為此類(lèi)研究帶來(lái)了希望。雙光子顯微鏡特有的非線(xiàn)性光學(xué)特性，再加上其工作波長(zhǎng)處在紅外區(qū)域等特點(diǎn)，令其在生物體組織內(nèi)的穿透深度較大提高，使得雙光子顯微鏡成為神經(jīng)科學(xué)家進(jìn)行神經(jīng)成像較理想的工具。美國(guó)熒光雙光子顯微鏡成像技術(shù)