1990年初,当WinfriedDenk刚从康奈尔大学博士毕业准备前往瑞士读博后时,他看了一本关于激光扫描显微镜的书,从中了解到非线性光学效应——强光和物质的相互作用。当时,Denk有同事研究生物样品中的钙离子但苦于没有强大的紫外激光器和光学元件,于是他就想到如果使用双光子吸收就能够绕开紫外,换言之,与其通过一个紫外光子激发标记的钙离子,通过两个双倍波长的可见光光子也能激发相同的荧光。有了想法后马上实验。借了一套染料飞秒激光器,Denk联合他的导师WattWebb及其博士生JamesStrickler只用六个小时就完成了实验搭建,采集数据则用了两到三天,于是一篇里程碑式的文章就此诞生了。双光子显微镜的基本原理是:在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收 2 个长波长的光子。国内ultimainvestigator双光子显微镜分辨率
Winfried Denk较初使用的光源是染料飞秒激光器(100 fs脉宽、630 nm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。下图是Thorlabs的双光子和三光子显微镜配置,钛宝石飞秒可调谐激光器位于平台较左边。科学家正在从双光子转向三光子显微镜。1996年,Chris Xu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)。国内ultimainvestigator双光子显微镜分辨率双光子显微镜知多少。
许多生物医学成像方式,无论是单光子(共聚焦)或多光子(双光子),都使用激光作为光源,并需要兼容的荧光染料。荧光染料有自己的激发波长,它们可以被单个光子以该激发波长的光子能量激发(E=hv=h*c/λ);或者是两个几乎同时到达的光子,但每个光子的能量约为单光子能量的一半,即双波长(0.5E->2λ)。前者是单光子显微镜原理,后者是双光子显微镜原理。在对同一种荧光染料进行成像时,双光子与单光子相比可以使用约两倍波长,因此双光子的散射较小(波长较长,散射较小),可以更深入地渗透到组织中。
双光子显微镜的优势:在深度组织中以较长时间对活细胞成像,双光子显微镜是当前之选。双光子和共聚焦显微镜都是通过激光激发样品中的荧光标记,使用探测器测量被激发的荧光。但是,共聚焦一般使用单模光纤耦合激光器,通过单光子激发荧光,而双光子使用飞秒激光器,通过几乎同时吸收两个长波光子激发荧光。下面是两种技术的对比图。双光子激发荧光的主要优势:双光子比共聚焦使用的更长的波长,所以对组织的损伤更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般为100微米,双光子则能达到250到500微米,甚至超过1毫米。另外,同时吸收两个光子意味只有较强度聚焦点处能被激发,所以不会损伤焦平面之外的组织,并且生成更清晰的图像。双光子显微镜已延伸到各个领域研究中,它能对样品进行三维观察。
其实电子显微镜相比于光学显微镜的重要优势或者存在的比较大意义,准确的来说,不在于放大倍数,而在于超高的分辨率。这两者是不同的。通俗的来说,就是进行观察的时候,除了要将物体放大,还需要能将它与相邻的其他物体分辨开来。如果两个相邻微粒的图像在光学显微镜下,即使放大到很大,看到的可能却是两个相交的亮斑(艾里斑),而没有明显的界限(更不用说细节了),这表示是分辨率不够。抛开分辨率谈放大倍数是没有意义的。光学显微镜的分辨率极限是阿贝极限,约等于光波波长的一半,通常被说成是光学显微镜放大极限,其实准确地来说,应该叫做分辨率的极限。而其产生的原因是光的衍射,根本原因是光的波粒二象性。电子衍射实验证明了电子的波动性,于是用电子代替光的电子显微镜成为可能。电子显微镜也有多种,题主说的是像REM的。电镜也存在用衍射规则观察的,比如低能电子衍射(LEED)和透射电镜(TEM)。两者主要用于观察晶体,根据其周期性的特点而生成倒易空间里的衍射图像,借助elward球或者傅里叶变换就可以转换到实空间,得到真正的晶体表面图像了。双光子显微镜有哪些应用呢?美国布鲁克双光子显微镜供应商
双光子显微镜在各领域研究中已有许多成功实例。国内ultimainvestigator双光子显微镜分辨率
双光子显微镜的应用由于适合动态成像,双光子显微镜一经问世便很快应用于神经科学、遗传发育、药物代谢等领域。双光子显微镜能够在细胞甚至是亚细胞水平上对***神经细胞的形态结构、离子浓度、细胞运动、分子相互作用等进行直接成像监测,而且能够进行光裂解、光转染和光损伤等光学操纵。同时,双光子显微镜能动态监测**在体内的生长和转移,并可对**治疗过程中*细胞的变化进行实时观测和评估。随着光学技术、荧光探针技术、计算机成像技术的发展,双光子显微技术会得到更大提升和更广的应用,未来不仅用于基础研究,也将扩展到临床应用。国内ultimainvestigator双光子显微镜分辨率