从双光子到三光子:科学家正在从双光子转向三光子显微镜。1996年,ChrisXu在康奈尔大学(Denk同导师实验室)读博期间发明了三光子显微镜,如果双光子吸收可行,那么三光子看起来也是自然的发展方向。三光子成像使用更长的波长,大约在1.3和1.7微米,其成像深度也比双光子更深,目前记录约为2.2毫米,人类大脑皮层厚约4毫米。相比双光子显微镜,三光子还要求以较低重频使用更强和更短的激光脉冲,而传统的钛宝石激光器难以达到这些要求,但是对于掺镱光纤飞秒光参量放大器则非常容易,比如我们的Y-Fi光参量放大器(OPA)。双光子显微镜成像技术及不同转基因小鼠开展对多种脏器的成像研究。国外激光双光子显微镜成像原理是什么
使用双光子显微镜(2PM)可以以亚细胞分辨率对钙离子传感器和谷氨酸传感器成像,从而测量不透明大脑深处的活动;成像膜电压变化能直接反映神经元活动,但神经元活动的速度对于常规的2PM来说太快。目前电压成像主要通过宽场显微镜实现,但它的空间分辨率较差并且只是于浅层深度。因此要在不透明的大脑中以高空间分辨率对膜电压变化进行成像,需要较提高2PM的成像速率。FACED模块输出处的子脉冲序列可以看作从虚拟光源阵列发出的光,这些子脉冲在中继到显微镜物镜后形成了一个空间上分离且时间延迟的焦点阵列。然后将该模块并入具有高速数据采集系统的标准双光子荧光显微镜中,如图2所示。光源是具有1MHz重复频率的920nm的激光器,通过FACED模块可产生80个脉冲焦点,其脉冲时间间隔为2ns。这些焦点是虚拟源的图像,虚拟源越远,物镜处的光束尺寸越大,焦点越小。光束沿y轴比x轴能更好地充满物镜,从而导致x轴的横向分辨率为0.82µm,y轴的横向分辨率为0.35µm。国外激光双光子显微镜成像原理是什么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。
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。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。
新一代微型化双光子荧光显微成像系统的成功研制是国家重大科研仪器研制专项的一个硕果。它彰显了北京大学在生物医学成像领域先期布局的前瞻性,锻炼了一支以年轻PI和硕博研究生为主体、具有学科交叉背景和重要技术创新能力的“中国智造”队伍。目前,该研发团队正在领衔建设“多模态跨尺度生物医学成像”十三五国家重大科技基础设施,积极参与即将启动的中国脑科学计划。可以期待,微型化双光子荧光显微成像系统将为实现“分析脑、理解脑、模仿脑”的战略目标发挥不可或缺的重要作用双光子显微镜还可以对一些具有双光子特性的染料细胞进行特定实验;美国激光双光子显微镜应用
双光子显微镜可以进行厚的组织样品拍摄。国外激光双光子显微镜成像原理是什么
微型化双光子荧光显微成像改变了在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式,可用于在动物觅食、哺乳、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下,或者在学习前、学习中和学习后,长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。该成果在2016年底美国神经科学年会、2017年5月冷泉港亚洲脑科学专题会议上报告后,得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的高度赞誉。冷泉港亚洲脑科学专题会议、美国明显神经科学家加州大学洛杉矶分校的Alcino J Silva教授在评述中写道,“从任何一个标准来看,这款显微镜都了一项重大技术发明,必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。它所开启的大门,甚至超越了神经元和树突成像。系统神经生物学正在进入一个新的时代,即通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测,从而更加深刻地理解进化所造就的大脑环路实现复杂行为的重要工程学原理。毫无疑问,这项非凡的发明让我们向着这一目标迈进了一步。”国外激光双光子显微镜成像原理是什么
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