利用鈣成像技術記錄大腦活動,隨著功能光學成像技術的發展,神經學家們已經可以研究腦區和神經元內部的工作情況。功能鈣成像技術就是其中之一,其主要原理是將外源性熒光信號和生理現象耦合起來——通過熒光染料信號的改變反映細胞內游離鈣離子濃度,以此細胞的功能狀態。目前它被廣泛應用于實時監測一群相關神經元內鈣離子的變化,從而判斷其功能活動。該技術的出現使得科學家可以親眼目睹神經信號在神經網絡之中時間和空間上的傳遞穿梭。雙光子顯微鏡的基本原理是:在高光子密度的情況下,熒光分子可以同時吸收 2 個長波長的光子。美國激光雙光子顯微鏡分辨率
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發明雙光子顯微鏡又用了將近30年。要理解雙光子的技術挑戰和飛秒激光發揮的重要作用,首先要了解其中的非線性過程。雙光子吸收相當于和頻產生非線性過程,這要求極高的電場強度,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,所以關鍵變量只剩下激光脈寬。基于以上分析,能夠以高重頻(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準激發光源。這也再次說明雙光子顯微鏡的優勢: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低無法被激發,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未實現商用。很快雙光子顯微鏡的標配光源就變成了飛秒鈦寶石激光器。除了固態光源優勢,鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長調諧范圍,而近紅外相比可見光穿透更深,對生物樣品損傷更小。國外2PPLUS雙光子顯微鏡價格雙光子顯微鏡放大倍數是多少?
美國霍華德·休斯醫學研究所在Janelia Farm ResearchCampus的吉娜博士小組與來自中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室的王琛博士較近成功將一種新的自適應光學的方法和雙光子顯微鏡結合,研制出一種新的自適應光學雙光子熒光顯微鏡。通過校正小鼠大腦的像差,在視覺皮層的不同深度處均獲得了提高數倍的成像分辨率和信號強度,明顯改進了成像質量,使得原來在鼠腦中不可見或者模糊的細節變得清晰可見,她們成功將該方法應用于老鼠視覺皮層第五層(約500μm)的形貌結構成像和鈣離子功能成像。這一新的自適應光學方法,使得在小鼠深層區域成像中獲得近衍射極限的成像分辨率成為現實。這一成果發表在較新一期的《Nature Methods》。
雙光子熒光顯微鏡是結合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發技術的一種新技術。雙光子激發的基本原理是:在高光子密度的情況下,熒光分子可以同時吸收2個長波長的光子,在經過一個很短的所謂激發態壽命的時間后,發射出一個波長較短的光子;其效果和使用一個波長為長波長一半的光子去激發熒光分子是相同的。雙(多)光子成像優勢在于,具有更深的組織穿透深度,利用紅外光,能夠在層面檢測極限達1mm的組織區域;因信號背景比高,而具有更高的對比度;因激發體積小,具有定點激發的特性,具有更少的光毒性;激發波長由紫外、可見光調整為紅外激發,能夠更加安全。雙光子顯微鏡在各領域研究中已有許多成功實例;
實驗從理論和實驗上評估了多焦點v2PE顯微鏡的空間分辨率,并與單光子熒光顯微鏡進行了對比,實驗中v2PE的激發波長為521 nm,使用放大倍率為100倍的物鏡,尺寸為0.6AU,對直徑100nm的熒光顆粒進行了測試性成像,共獲得40幅不同采樣深度的圖像合成為三維圖像。圖像在橫向和縱向的半高全寬分別是177 nm和297 nm,這些值接近顯微鏡的理論分辨率。后續還利用軟件模擬從理論上研究了多焦點v2PE顯微技術的空間分辨率,模擬計算顯示v2PE點擴散函數(PSF)的橫向半高寬與單光子激發熒光(1PE)相似,軸向的半高寬較1PE減少,可以提高空間分辨率。雙光子顯微鏡不需要共聚焦細孔,提高了熒光檢測效率。國外2PPLUS雙光子顯微鏡價格
雙光子顯微鏡可以在小鼠的的任何部位進行有生命體成像。美國激光雙光子顯微鏡分辨率
由于具有較高輸出功率的光源可以提高成像速度,在我們的實驗中,時間分辨率主要是受OPO輸出可見光激光功率的限制。盡管在單點掃描系統中,v2PE激發會使得空間分辨率提高,但多聚焦v2PE顯微鏡具有與1PE多聚焦顯微鏡近乎相同的橫向分辨率,這主要是多聚焦成像和單點掃描技術之間的差異造成的。由于v2PE的激發體積小于1PE,引入圖像掃描技術可以進一步提高空間分辨率,這種技術需要通過在陣列前引入額外的微透鏡陣列來實現。除此之外,由于可見光區域的共振效應,可能會產生光漂白,因而為了延長觀察時間,系統還需要對激發強度和曝光時間做進一步優化。美國激光雙光子顯微鏡分辨率