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王爱民副教授结合工作实例,展示了双光子显微镜的研发与应用。历经3年多的协同奋战,成功研制新一代高速分辨微型化双光子荧光显微镜,重量只为2.2克,这一微型显微镜获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像,该显微镜适于佩戴在小动物头部,可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。双光子显微成像的在生物医学研究和医疗领域应用有较大的应用前景,首先双光子显微镜能够进行细胞和组织结构成像,在亚微米级成像,此功能与目前市场上的共聚焦类显微镜性能类似;双光子显微成像能够实时、在体、原位、无创地,根据不同物质组份的光谱特性,区分成像;双光子显微镜能够进行生化指标成像,在无造影剂的前提下,利用自发荧光、二次谐波、荧光获得活细胞生化信息。显微成像技术包含:双光子显微镜、宽场荧光显微镜、共聚焦显微镜、全内反射荧光显微镜等多种成像方式。国内荧光双光子显微镜商家电话
激光共聚扫描显微镜脱离了传统光学显微镜的场光源和局部平面成像模式,采用激光束作光源,激光束经照明,经由分光镜反射至物镜,并聚焦于样品上,对标本焦平面上每一点进行扫描。组织样品中的荧光物质受到刺激后发出的荧光经原来入射光路直接反向回到分光镜,通过探测时先聚焦,然后被光探头收集,转化为信号输送到计算机进行处理。这个装置能让通过探测的只有焦平面上发出的荧光,使成像更为清晰准确,同时通过改变物镜的焦距,能对不同焦平面进行扫描,通过计算机绘出普通显微镜无法观测的三维图像。而配合了双光子激发技术,激光共聚扫描显微镜则能更好得发挥功效。那么,什么是双光子激发技术呢?在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收2个长波长的光子使电子跃迁到较高能级,经过一个很短的时间后,电子再跃迁回低能级同时放出一个波长为长波长一半的光子(P=h/λ)。利用这个原理,便诞生了双光子激发技术。国外激光荧光双光子显微镜磷光寿命计数双光子显微镜能够进行光裂解、光转染和光损伤等光学操纵。
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。WinfriedDenk初使用的光源是染料飞秒激光器(100fs脉宽、630nm可见光波长)。虽然染料激光器对于实验室演示尚可,但是使用很不方便所以远未实现商用。很快双光子显微镜的标配光源就变成了飞秒钛宝石激光器。除了固态光源优势,钛宝石激光器还具有较宽的近红外波长调谐范围,而近红外相比可见光穿透更深,对生物样品损伤更小。
像差问题一直困扰着光学领域的工作者。像差会使光波前发生形变,不仅降低成像的信噪比和分辨率,使得很多时候我们只能“雾里看花”,更甚者,产生赝像,或无法获得有意义的图像。像差问题对双光子成像的影响尤为严重,因为在那里,荧光信号对入射光强度的依赖是平方关系,一旦入射光波前形变,不仅聚焦强度大幅下降,成像分辨率也急剧恶化。因此,如何解决像差问题,实现,例如小鼠大脑皮层,深层区域的高质量成像成为光学成像发展中相当有挑战性的问题之一。成像平台倒置双光子显微镜启用显微镜自带调焦设备。
双光子显微镜是结合了双光子激发技术和激光扫描共聚显微镜的一种新型荧光显微镜,其原理大致是这样的:首先,让我们来看看什么是荧光显微镜。荧光显微镜是以紫外线为光源,照射被检物体上的荧光物质或是荧光染料,使其发出荧光。相比普通光学显微镜,荧光显微镜运用了波长更短的紫外线,再将可见光过滤掉,提高了分辨力率。而当被检物体过厚时,从不同深度发出的荧光都会打在物镜上,使观察到的像模糊、发虚,无法清楚的知道被检物体的结构。而激光扫描共聚显微镜就是在荧光显微镜的基础上,增加了激光扫描装置,从而解决了上述问题。激光共聚扫描显微镜脱离了传统光学显微镜的场光源和局部平面成像模式,采用激光束作光源,激光束经照明孔,经由分光镜反射至物镜,并聚焦于样品上,对标本焦平面上每一点进行扫描。组织样品中的荧光物质受到刺激后发出的荧光经原来入射光路直接反向回到分光镜,通过探测孔时先聚焦,然后被光探头收集,转化为信号输送到计算机进行处理。这个装置能让通过探测***的只有焦平面上发出的荧光,使成像更为清晰准确,同时通过改变物镜的焦距,能对不同焦平面进行扫描,通过计算机绘出普通显微镜无法观测的三维图像。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、进行直接成像监测。国内bruker双光子显微镜商家电话
优势来源于其双光子光源的非线性光学效应。国内荧光双光子显微镜商家电话
宇宙,浩瀚无垠,在数百亿光年可观测的空间里闪烁着上万亿个星系。人类1400克的大脑,如同一个小小的宇宙,包含了百亿级神经元和百万亿级的神经突触,其结构和功能上极其复杂而精密的连接,涌现出意识和思想--大脑小宇宙隐藏着世界上较佳丽较深邃的奥秘。新千年伊始,世界科技强国纷纷启动有史以来比较大规模的脑科学研究计划,人类探索大脑的波澜壮阔的历史画卷正在展开。工欲善其事,必先利其器。目前,各国脑科学计划的一个重要方向就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。其中,如何打破尺度壁垒,整合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的活动和个体行为信息,是领域内亟待解决的一个关键挑战。国内荧光双光子显微镜商家电话
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