雙光子顯微成像技術(shù)不是什么新技術(shù)，早在20多年前就有了，目前已經(jīng)在生命科學(xué)和材料科學(xué)中廣泛應(yīng)用。幾年前雙光子過期后，已經(jīng)推出自己的雙光子顯微鏡的廠家估計(jì)不少于10家以上。即便如此，世界上很多實(shí)驗(yàn)室都搭雙光子，自己搭的好處有很多，首先是便宜，尤其是實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有飛秒激光器，那就更很省錢了。其次是靈活，可以選擇針對特殊用途的搭配，改動(dòng)也靈活。好處就是可以鍛煉隊(duì)伍，一趟走下來可以把新手帶出來，后期維護(hù)也更加自由。當(dāng)然壞處也不少，首先是操心，特別是第1次搭的時(shí)候，開始要想方案，后來要解決各種實(shí)際問題。其次是花時(shí)間，加上買配件的時(shí)間，比買一臺(tái)現(xiàn)成的商業(yè)化雙光子耗時(shí)長。現(xiàn)在已經(jīng)有不少關(guān)于如何搭雙光子顯微鏡的文章，各種protocol，大多是老外寫的，中文的較少。其實(shí)完全自己搭一套好用的系統(tǒng)還是不容易的，尤其是沒有經(jīng)驗(yàn)的時(shí)候，容易走彎路，多花錢，也多花時(shí)間，再加上雙光子的重要器件都需要從國外購買，在國內(nèi)買這些東西耗時(shí)較長。因此，我想總結(jié)一下我們的經(jīng)驗(yàn)，貼出來分享，希望能幫到想自己動(dòng)手的實(shí)驗(yàn)室，成像平臺(tái)倒置雙光子顯微鏡啟用顯微鏡自帶調(diào)焦設(shè)備。國內(nèi)熒光雙光子顯微鏡
雙光子顯微鏡為什么穿透能力強(qiáng)？生物組織在近紅外波段存在兩個(gè)窗口,第1個(gè)近紅外窗口對應(yīng)波長在700nm-900nm,第2個(gè)近紅外窗口對應(yīng)波長在1000nm-1400nm之間。舉例說明就是單晶硅對于可見光幾乎是不透明的，但是對于紅外波段就像是“水晶”一樣通透性很好了。原因有兩點(diǎn)：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(shí)用手電筒照射手指，會(huì)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)。美國激光雙光子顯微鏡授權(quán)供應(yīng)商雙光子顯微鏡明日之星--FemtoFiber ultra 920 。
細(xì)胞內(nèi)鈣離子作為重要的信號(hào)分子其作用具有時(shí)間性和空間性。當(dāng)個(gè)細(xì)胞興奮時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)電沖動(dòng)，此時(shí)，細(xì)胞外的鈣離子流入該細(xì)胞內(nèi)，促使該細(xì)胞分泌神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)與相鄰的下一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞膜上的蛋白分子結(jié)合，促使這一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生新的電沖動(dòng)。以此類推，神經(jīng)信號(hào)便一級(jí)一級(jí)地傳遞下去，從而構(gòu)成復(fù)雜的信號(hào)體系，終形成學(xué)習(xí)、記憶等大腦的高級(jí)功能。在哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子同樣扮演著重要的信號(hào)分子的角色。靜息狀態(tài)下大部分神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度約為50-100nM，而細(xì)胞興奮時(shí)鈣離子濃度能瞬間上升10-100倍，增加的鈣離子對于突觸囊泡胞吐釋放神經(jīng)遞質(zhì)的過程必不可少。眾所周知，只有游離鈣才具有生物學(xué)活性，而細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度由鈣離子的內(nèi)外流平衡所決定，同時(shí)也受鈣結(jié)合蛋白的影響。細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流的方式有很多種，其中包括電壓門控鈣離子通道、離子型谷氨酰胺受體、煙堿型膽堿能受體（nAChR）和瞬時(shí)受體電位C型通道（TRPC）等。神經(jīng)元鈣成像的原理就是利用特殊的熒光染料或鈣離子指示劑將神經(jīng)元中鈣離子濃度的變化通過熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出來，以反映神經(jīng)元活性。該方法可以同時(shí)觀察多個(gè)功能或位置相關(guān)的腦細(xì)胞。
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(tái)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)。顯微成像技術(shù)包含：雙光子顯微鏡、寬場熒光顯微鏡、共聚焦顯微鏡、全內(nèi)反射熒光顯微鏡等多種成像方式。
配合雙光子激發(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(shí)吸收2個(gè)長波長的光子使電子躍遷到較高能級(jí)，經(jīng)過一個(gè)很短的時(shí)間后，電子再躍遷回低能級(jí)同時(shí)放出一個(gè)波長為長波長一半的光子（P=h/λ）。利用這個(gè)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。優(yōu)勢來源于其雙光子光源的非線性光學(xué)效應(yīng)。國內(nèi)熒光雙光子顯微鏡
雙光子顯微鏡工作原理是利用兩個(gè)光子的能量相加達(dá)到熒光激發(fā)能量閾值，來激發(fā)樣品中熒光分子發(fā)出熒光信號(hào)。國內(nèi)熒光雙光子顯微鏡
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。國內(nèi)熒光雙光子顯微鏡
