双光子显微镜基本参数
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双光子显微镜企业商机

从双光子的原理和特点,我们可以清楚地得出双光子的优点:☆光损伤小:由于双光子显微镜采用可见光或近红外光作为激发光源,因此该波段的光对细胞和组织的光损伤很小,适合长期研究;☆穿透能力强:与紫外光相比,可见光和近红外光的穿透能力更强,因此受生物组织散射的影响更小,解决了生物组织深层物质的层析成像问题;☆高分辨率:由于双光子吸收的截面很小,只能在焦平面很小的区域激发荧光,双光子吸收被限制在焦点处体积约为波长三次方的范围内;☆漂白区域小:由于激发只存在于交点处,焦点外的区域不会发生光漂白;☆荧光收集率高:与共焦成像相比,双光子成像不需要滤光片(共焦),提高了荧光收集率,直接导致图像对比度的提高;☆图像对比度高:由于荧光波长小于入射波长,瑞利散射产生的背景噪声*为单光子激发产生的1/16,减少了散射的干扰;光子跃迁具有很强的选择性激发,因此可以用来对生物组织中的一些特殊物质进行成像;双光子显微镜还可以对一些具有特性的染料细胞进行实验,还有一些短波长可以利用双光子特性进行特定实验。进口ultima2PPLUS双光子显微镜分辨率

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双光子之源:飞秒激光双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主MariaGoeppertMayer提出,30年后因为有了激光才得到实验验证,但是到WinfriedDenk发明双光子显微镜又用了将近30年。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用,首先要了解其中的非线性过程。双光子吸收相当于和频产生非线性过程,这要求极高的电场强度,而电场取决于聚焦光斑大小和激光脉宽。聚焦光斑越小,脉宽越窄,双光子吸收效率越高。对于衍射极限显微镜,聚焦在样品上的光斑大小只和物镜NA和激光波长有关,所以关键变量只剩下激光脉宽。基于以上分析,能够以高重频(100MHz)输出超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光器成了双光子显微镜的标准激发光源。这也再次说明双光子显微镜的优势:只有焦平面处才能形成双光子吸收,而焦平面之外由于光强低无法被激发,所以双光子成像更清晰。进口荧光激光双光子显微镜光损伤双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。

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2020年,临研所、病理科和科研处邀请北京大学王爱民副教授做了题目为“新一代微型双光子显微成像系统介绍及其在临床医疗诊断”的学术报告。学术报告由临研所医学实验研究平台潘琳老师主持。王爱民,北京大学信息科学技术学院副教授,毕业于北京大学物理系,获学士、硕士学位,后于英国巴斯大学物理系获博士学位。该研究组研发的微型双光子显微镜,第1次在国际上获得了小鼠大脑神经元和神经突触清晰稳定的动态信号,该成果获得了2017年度“中国光学进展”和“中国科学进展”,并被NatureMethods评为2018年度“年度方法--无限制行为动物成像”。目前,该研究组正在研究新一代双光子显微成像技术在临床诊断中的应用,为未来即时病理、离体组织检测、术中诊断等提供新的影像手段和分析方法。

在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收两个长波长的光子,然后发射出一个波长较短的光子,其效果和使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分子是相同的(如下图)。如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH),在单光子激发时,在波长为350nm光的激发下发出450nm荧光;而在双光子激发时,可采用750nm的激发光得到450nm荧光。由于双光子激发需要很高的光子密度,为了不损伤细胞,双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量,从而可以减少光漂白和光毒性带来的不利影响。双光子显微镜的探测器,该怎么选用?

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在传统宽场显微镜中,来自标本不同纵深的光线都可投射到同一焦平面(感光元件)上,所以其成像是整个样品的重叠像,没有纵向分辨能力。单光子激光共聚焦显微镜用***有效滤除了杂散光,分辨率有了本质上的提高,拥有了对样品的特定焦平面精细成像的能力,可以进行三维成像、动态成像等。然而,***在滤除杂散光的同时也将大部分来自焦平面的荧光滤除了,只有很弱的荧光到达检测器。若要提高信号强度,需要加大激发光功率,这又会导致对活细胞的光毒性和荧光分子的光漂白增加。双光子显微镜比较大的优势来源于其双光子光源的非线性光学效应,与单光子共聚焦显微镜比较大的不同在于无须使用***限制光学散射,其具体优势如下。双光子显微镜可以用于局部微蚀镭射磨皮后的胶原重塑的检测。美国荧光双光子显微镜授权供应商

双光子显微镜角膜成像。进口ultima2PPLUS双光子显微镜分辨率

双光子之源:飞秒激光:双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主MariaGoeppertMayer提出,30年后因为有了激光才得到实验验证,但是到WinfriedDenk发明双光子显微镜又用了将近30年。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用,首先要了解其中的非线性过程。双光子吸收相当于和频产生非线性过程,这要求极高的电场强度,而电场取决于聚焦光斑大小和激光脉宽。聚焦光斑越小,脉宽越窄,双光子吸收效率越高。对于衍射极限显微镜,聚焦在样品上的光斑大小只和物镜NA和激光波长有关,所以关键变量只剩下激光脉宽。基于以上分析,能够以高重频(100MHz)输出超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光器成了双光子显微镜的标准激发光源。这也再次说明双光子显微镜的优势:只有焦平面处才能形成双光子吸收,而焦平面之外由于光强低无法被激发,所以双光子成像更清晰。WinfriedDenk初使用的光源是染料飞秒激光器(100fs脉宽、630nm可见光波长)。虽然染料激光器对于实验室演示尚可,但是使用很不方便所以远未实现商用。很快双光子显微镜的标配光源就变成了飞秒钛宝石激光器。除了固态光源优势,钛宝石激光器还具有较宽的近红外波长调谐范围,而近红外相比可见光穿透更深,对生物样品损伤更小。进口ultima2PPLUS双光子显微镜分辨率

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