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進(jìn)口熒光雙光子顯微鏡光子躍遷

來源: 發(fā)布時(shí)間:2024-12-21

雙光子熒光顯微鏡是結(jié)合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新技術(shù)。雙光子激發(fā)的基本原理是:在高光子密度的情況下,熒光分子可以同時(shí)吸收2個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子,在經(jīng)過一個(gè)很短的所謂激發(fā)態(tài)壽命的時(shí)間后,發(fā)射出一個(gè)波長(zhǎng)較短的光子;其效果和使用一個(gè)波長(zhǎng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)一半的光子去激發(fā)熒光分子是相同的。雙(多)光子成像優(yōu)勢(shì)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(cè)極限達(dá)1mm的組織區(qū)域;因信號(hào)背景比高,而具有更高的對(duì)比度;因激發(fā)體積小,具有定點(diǎn)激發(fā)的特性,具有更少的光毒性;激發(fā)波長(zhǎng)由紫外、可見光調(diào)整為紅外激發(fā),能夠更加安全。雙光子顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)研究中有廣泛的應(yīng)用,可以觀察細(xì)胞內(nèi)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)分布、細(xì)胞活動(dòng)等。進(jìn)口熒光雙光子顯微鏡光子躍遷

進(jìn)口熒光雙光子顯微鏡光子躍遷,雙光子顯微鏡

新一代微型化雙光子熒光顯微鏡體積小,重只2.2克,適于佩戴在小動(dòng)物頭部顱窗上,實(shí)時(shí)記錄數(shù)十個(gè)神經(jīng)元、上千個(gè)神經(jīng)突觸的動(dòng)態(tài)信號(hào)。在大型動(dòng)物上,還可望實(shí)現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)。相比單光子激發(fā),雙光子激發(fā)具有良好的光學(xué)斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢(shì),其橫向分辨率達(dá)到0.65μm,成像質(zhì)量與商品化大型臺(tái)式雙光子熒光顯微鏡可相媲美,遠(yuǎn)優(yōu)于目前領(lǐng)域內(nèi)主導(dǎo)的、美國腦科學(xué)計(jì)劃重要團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的微型化寬場(chǎng)顯微鏡。采用雙軸對(duì)稱高速微機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù),成像幀頻已達(dá)40Hz(256*256像素),同時(shí)具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒1萬線的線掃描能力。此外,采用自主設(shè)計(jì)可傳導(dǎo)920nm飛秒激光的光子晶體光纖,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微型雙光子顯微鏡對(duì)腦科學(xué)領(lǐng)域較廣泛應(yīng)用的指示神經(jīng)元活動(dòng)的熒光探針(如GCaMP6)的有效利用。同時(shí)采用柔性光纖束進(jìn)行熒光信號(hào)的接收,解決了動(dòng)物的活動(dòng)和行為由于熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。未來,與光遺傳學(xué)技術(shù)的結(jié)合,可望在結(jié)構(gòu)與功能成像的同時(shí),精細(xì)地操控神經(jīng)元和神經(jīng)回路的活動(dòng)。美國熒光雙光子顯微鏡圖像對(duì)比度于雙光子激發(fā)需要兩個(gè)光子同時(shí)到達(dá),因此只有在焦點(diǎn)附近的樣品區(qū)域才會(huì)激發(fā),從而實(shí)現(xiàn)三維成像和高分辨率。

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像差問題一直困擾著光學(xué)領(lǐng)域的工作者。像差會(huì)使光波前發(fā)生形變,不僅降低成像的信噪比和分辨率,使得很多時(shí)候我們只能“霧里看花”,更甚者,產(chǎn)生贗像,或無法獲得有意義的圖像。像差問題對(duì)雙光子成像的影響尤為嚴(yán)重,因?yàn)樵谀抢铮瑹晒庑盘?hào)對(duì)入射光強(qiáng)度的依賴是平方關(guān)系,一旦入射光波前形變,不僅聚焦強(qiáng)度大幅下降,成像分辨率也急劇惡化。因此,如何解決像差問題,實(shí)現(xiàn),例如小鼠大腦皮層,深層區(qū)域的高質(zhì)量成像成為光學(xué)成像發(fā)展中相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的問題之一。

在該自適應(yīng)光學(xué)雙光子熒光顯微鏡中,她們將空間光位相調(diào)制器光學(xué)共軛到顯微物鏡的后焦平面,通過位相調(diào)制器將入射光分成若干子區(qū)域,每一塊子區(qū)域的波前都可以被控制。同時(shí),她們用數(shù)字微陣列光處理器,以不同的頻率同時(shí)調(diào)制其中一半子區(qū)域的入射光強(qiáng)度,以另一半子區(qū)域作為“參考波前”。來自所有子區(qū)域光束會(huì)在焦點(diǎn)處會(huì)聚干涉,通過監(jiān)測(cè)焦點(diǎn)激發(fā)的雙光子信號(hào)隨時(shí)間的變化情況,并進(jìn)行傅里葉變換分析,可以“分解”得到被調(diào)制的每一塊子區(qū)域的“光線”的貢獻(xiàn)信息,從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一半子區(qū)域波前的并行測(cè)量。對(duì)另一半子區(qū)域重復(fù)這一測(cè)量過程,從而獲得整個(gè)入射波前的信息并進(jìn)行校正。該方法耗時(shí)很短,通常約1~3分鐘左右即可完成像差的測(cè)量和校正,無需復(fù)雜的計(jì)算,適用于任何標(biāo)記密度和標(biāo)記類型的樣品。更重要的是,得到的像差校正圖案可以用于提高較大視場(chǎng)范圍內(nèi)的成像質(zhì)量。該方法無疑為在體研究小鼠大腦皮層深層區(qū)域的生物、醫(yī)學(xué)問題提供了可行性方案。雙光子顯微鏡在多個(gè)領(lǐng)域研究中已有許多成功實(shí)例。

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高光子密度帶來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察到的現(xiàn)象證明了鈣離子的增加依賴于肌體觸發(fā)的鈉離子作用電勢(shì)。信息領(lǐng)域:美國科學(xué)家Rentzepis提出了一種在現(xiàn)有二維光盤的基礎(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。雙光子顯微鏡還可以對(duì)一些具有雙光子特性的染料細(xì)胞進(jìn)行特定實(shí)驗(yàn);國外熒光雙光子顯微鏡授權(quán)供應(yīng)商

雙光子顯微鏡放大倍數(shù)是多少?進(jìn)口熒光雙光子顯微鏡光子躍遷

新一代微型化雙光子熒光顯微成像系統(tǒng)的成功研制是國家重大科研儀器研制專項(xiàng)的一個(gè)碩果。它彰顯了北京大學(xué)在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域先期布局的前瞻性,鍛煉了一支以年輕PI和碩博研究生為主體、具有學(xué)科交叉背景和重要技術(shù)創(chuàng)新能力的“中國智造”隊(duì)伍。目前,該研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在領(lǐng)銜建設(shè)“多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像”十三五國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,積極參與即將啟動(dòng)的中國腦科學(xué)計(jì)劃??梢云诖?,微型化雙光子熒光顯微成像系統(tǒng)將為實(shí)現(xiàn)“分析腦、理解腦、模仿腦”的戰(zhàn)略目標(biāo)發(fā)揮不可或缺的重要作用進(jìn)口熒光雙光子顯微鏡光子躍遷