進口激光熒光雙光子顯微鏡光損傷

雙光子之源：飛秒激光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?；谝陨戏治?，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(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低無法被激發(fā)，所以雙光子成像更清晰。雙光子顯微鏡除了可以進行厚的組織樣品拍攝以外呢，可以在小鼠的的任何部位進行成像。進口激光熒光雙光子顯微鏡光損傷

Itrytoexplainwhytwo-photonmicroscopyhasadeeperimagingdepththanone-photonmicroscopy,intheareaofbiomedicalimaging.Manyofthebiomedicalimagingmodalities,nomatterone-photon(confocal)ormulti-photon(two-photon),uselasersaslightsourceandrequirecompatiblefluorescentdyes.Fluorescentdyeshavetheirownexcitationwavelength,andtheycaneitherbeexcitedbyasinglephotonwiththephotonenergyofthatexcitationwavelength(E=hv=h*c/λ);orbytwophotons,arrivingalmostatthesametime,buteachwithapproximatelyhalfoftheenergy,henceofdoublewavelengththanone-photon(0.5E->2λ).Theformeristheprincipleofone-photonmicroscopyandthelatteristheprincipleoftwo-photonmicroscopy.Whenimagingthesamefluorescentdye,sincetwo-photoncoulduseapproximatelydoubledwavelengthcomparedwithsingle-photon,two-photoncanobviouslypenetrateddeeperintothetissueduetolessscattering(longerwavelength,lessscattering).雙光子顯微鏡光毒性雙光子顯微鏡將得到更大的發(fā)展與更廣的應用。

在深度組織中以較長時間對活細胞成像，雙光子顯微鏡是當前之選。雙光子和共聚焦顯微鏡都是通過激光激發(fā)樣品中的熒光標記，使用探測器測量被激發(fā)的熒光。但是，共聚焦一般使用單模光纖耦合激光器，通過單光子激發(fā)熒光，而雙光子使用飛秒激光器，通過幾乎同時吸收兩個長波光子激發(fā)熒光。下面是兩種技術的對比圖。雙光子激發(fā)熒光的主要優(yōu)勢：雙光子比共聚焦使用的更長的波長，所以對組織的損傷更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般為100微米，雙光子則能達到250到500微米，甚至超過1毫米。另外，同時吸收兩個光子意味只有較強度聚焦點處能被激發(fā)，所以不會損傷焦平面之外的組織，并且生成更清晰的圖像。

FHIRM-TPM 2.0擴大了微型雙光子顯微鏡的適用性和實用性，使神經科學家能夠更自由地探索更多新的行為范式，包括身體運動、長時程的復雜過程，如學習和記憶，社會互動和恐懼條件反射，甚至是慢性疾病的進展和老化，如神經發(fā)生和再生，疾病進展和衰老，以破譯大腦的奧秘。在一批“早鳥項目”中，該系統(tǒng)已被多個研究組應用于不同的模式動物和行為范式，如小鼠的社交新穎性識別、斑胸草雀受***調控后大腦特定神經元變化、新型神經遞質乙酰膽堿探針的傳導適應性分析以及獼猴三腦區(qū)成像等多項研究。依托兩代微型化雙光子成像技術，該團隊還在南京市江北新區(qū)建立了規(guī)模化高通量腦功能成像的南京腦觀象臺（Nanjing Brian Observatory），于2020年12月10日舉辦了落成典禮。通過與世界范圍內的神經科學家進行廣合作，腦觀象臺現正在服務三十多個科研項目，成為開展大型腦科學問題研究的重要科研服務平臺。雙光子顯微鏡能夠進行指標成像；

光學顯微鏡從1590年發(fā)明以來，不斷發(fā)展，促進生命科學日新月異的發(fā)現，幫助人類逐層打開生命本質的大門。同時，生命科學的發(fā)展不斷給光學顯微鏡提出新的要求，促使成像理論和技術持續(xù)更新迭代?？茖W進入21世紀，人們已經不滿足于在體外研究細胞和組織，需要能夠更真實地探索生命，在體內實時觀察細胞的發(fā)生和變化。此時，雙光子顯微鏡進入了科學家的視野。在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時吸收兩個長波長的光子，然后發(fā)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(fā)熒光分子是相同的（圖1）。如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），在單光子激發(fā)時，在波長為350 nm光的激發(fā)下發(fā)出450 nm熒光；而在雙光子激發(fā)時，可采用700 nm的激發(fā)光得到450 nm熒光。雙光子顯微鏡能夠在細胞甚至是亞細胞水平上對神經細胞的形態(tài)結構、離子濃度、細胞運動、進行直接成像監(jiān)測。雙光子顯微鏡光毒性

由于雙光子顯微鏡使用的是可見光或近紅外光作為激發(fā)光源，適用于長時間的研究。進口激光熒光雙光子顯微鏡光損傷

雙光子顯微鏡的應用由于適合動態(tài)成像，雙光子顯微鏡一經問世便很快應用于神經科學、遺傳發(fā)育、藥物代謝等領域。雙光子顯微鏡能夠在細胞甚至是亞細胞水平上對***神經細胞的形態(tài)結構、離子濃度、細胞運動、分子相互作用等進行直接成像監(jiān)測，而且能夠進行光裂解、光轉染和光損傷等光學操縱。同時，雙光子顯微鏡能動態(tài)監(jiān)測**在體內的生長和轉移，并可對**治療過程中*細胞的變化進行實時觀測和評估。隨著光學技術、熒光探針技術、計算機成像技術的發(fā)展，雙光子顯微技術會得到更大提升和更廣的應用，未來不僅用于基礎研究，也將擴展到臨床應用。進口激光熒光雙光子顯微鏡光損傷