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1.生物組織對紅外光的吸收弱,對可見光吸收強(qiáng)。類似的,平時用手電筒照射手指,會看到手通透紅亮,也是由于生物組織對長波長的紅光吸收少。2.生物組織對紅外光的散射弱。因?yàn)槿鹄⑸涞膹?qiáng)度反比于波長λ的四次方。類似的,早晨的太陽非常紅,也就是因?yàn)殚L波長的紅光穿透力更強(qiáng)。這兩點(diǎn)共同導(dǎo)致長波長的紅外光比可見光對生物組織的穿透能力強(qiáng)。與單光子顯微鏡(如共聚焦顯微鏡)相比,雙光子顯微鏡可以使用約二倍波長的激光去激發(fā)熒光團(tuán)。長波長光束散射程度低(RayleighScattering),所以穿透能力強(qiáng)。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。國外雙光子顯微鏡用途
雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎得主MariaGoeppertMayer提出,30年后因?yàn)橛辛思す獠诺玫綄?shí)驗(yàn)驗(yàn)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。進(jìn)口bruker雙光子顯微鏡的成像視野雙光子顯微鏡將得到更大的發(fā)展與更廣的應(yīng)用。
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(shí)驗(yàn)室演示尚可,但是使用很不方便所以遠(yuǎn)未實(shí)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。從雙光子到三光子科學(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(shí)驗(yàn)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)。
而配合了雙光子激發(fā)技術(shù),激光共聚掃描顯微鏡則能更好得發(fā)揮功效。那么,什么是雙光子激發(fā)技術(shù)呢?在高光子密度的情況下,熒光分子可以同時吸收2個長波長的光子使電子躍遷到較高能級,經(jīng)過一個很短的時間后,電子再躍遷回低能級同時放出一個波長為長波長一半的光子(P=h/λ)。利用這個原理,便誕生了雙光子激發(fā)技術(shù)。雙光子顯微鏡使用長波長脈沖激光,通過物鏡匯聚,由于雙光子激發(fā)需要很高的光子密度,而物鏡焦點(diǎn)處的光子密度是比較高的,所以只有在焦點(diǎn)處才能發(fā)生雙光子激發(fā),產(chǎn)生熒光,該點(diǎn)產(chǎn)生的熒光再穿過物鏡,被光探頭接收,從而達(dá)到逐點(diǎn)掃描的效果。雙光子顯微鏡能夠在細(xì)胞甚至是亞細(xì)胞水平上對神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、離子濃度、細(xì)胞運(yùn)動、進(jìn)行直接成像監(jiān)測。
在深度組織中以較長時間對活細(xì)胞成像,雙光子顯微鏡是當(dāng)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(biāo)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(shù)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(dá)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(qiáng)度聚焦點(diǎn)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。雙光子顯微鏡在各領(lǐng)域研究中已有許多成功實(shí)例;美國ultima雙光子顯微鏡授權(quán)公司
雙光子顯微鏡可以進(jìn)行厚的組織樣品拍攝。國外雙光子顯微鏡用途
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,讓我們來看看什么是熒光顯微鏡。熒光顯微鏡是以紫外線為光源,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)用了波長更短的紫外線,再將可見光過濾掉,提高了分辨力率。而當(dāng)被檢物體過厚時,從不同深度發(fā)出的熒光都會打在物鏡上,使觀察到的像模糊、發(fā)虛,無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,從而解決了上述問題。國外雙光子顯微鏡用途