和很多偉大的科學(xué)發(fā)明一樣，雙光子顯微鏡的出現(xiàn)也有一點(diǎn)偶然，但正是那瞬間的靈感為生物科學(xué)尤其是神經(jīng)科學(xué)帶來了一種**性的成像技術(shù)：雙光子激發(fā)熒光顯微鏡。1990年初，當(dāng)WinfriedDenk剛從康奈爾大學(xué)博士畢業(yè)準(zhǔn)備前往瑞士讀博后時(shí)，他看了一本關(guān)于激光掃描顯微鏡的書，從中了解到非線性光學(xué)效應(yīng)——強(qiáng)光和物質(zhì)的相互作用。當(dāng)時(shí)，Denk有同事研究生物樣品中的鈣離子但苦于沒有強(qiáng)大的紫外激光器和光學(xué)元件，于是他就想到如果使用雙光子吸收就能夠繞開紫外，換言之，與其通過一個(gè)紫外光子激發(fā)標(biāo)記的鈣離子，通過兩個(gè)雙倍波長(zhǎng)的可見光光子也能激發(fā)相同的熒光。有了想法后馬上實(shí)驗(yàn)。借了一套染料飛秒激光器，Denk聯(lián)合他的導(dǎo)師WattWebb及其博士生JamesStrickler只用六個(gè)小時(shí)就完成了實(shí)驗(yàn)搭建，采集數(shù)據(jù)則用了兩到三天，于是一篇里程碑式的文章就此誕生了。雙光子顯微鏡能夠在細(xì)胞甚至是亞細(xì)胞水平上對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、離子濃度、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、進(jìn)行直接成像監(jiān)測(cè)。進(jìn)口ultimainvestigator雙光子顯微鏡
雙光子顯微鏡是激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)。雙光子激發(fā)的基本原理是:在光子密度較高的情況下，熒光分子可以同時(shí)吸收兩個(gè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子，經(jīng)過短暫的所謂激發(fā)態(tài)壽命后，發(fā)射一個(gè)波長(zhǎng)較短的光子；效果和用波長(zhǎng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)一半的光子激發(fā)熒光分子是一樣的。雙(多)光子成像的優(yōu)點(diǎn)是具有更深的組織穿透深度，紅外光可以在平面上探測(cè)到極限為1mm的組織區(qū)域；因?yàn)樾盘?hào)背景比高，所以具有更高的對(duì)比度；由于激發(fā)體積小，具有定點(diǎn)激發(fā)、光毒性小的特點(diǎn)；激發(fā)波長(zhǎng)由紫外、可見光調(diào)整為紅外激發(fā)，更加安全。熒光雙光子顯微鏡價(jià)格于雙光子激發(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。
宇宙，浩瀚無垠，在數(shù)百億光年可觀測(cè)的空間里閃爍著上萬億個(gè)星系。人類1400克的大腦,如同一個(gè)小小的宇宙，包含了百億級(jí)神經(jīng)元和百萬億級(jí)的神經(jīng)突觸，其結(jié)構(gòu)和功能上極其復(fù)雜而精密的連接，涌現(xiàn)出意識(shí)和思想--大腦小宇宙隱藏著世界上較佳麗較深邃的奧秘。新千年伊始，世界科技強(qiáng)國紛紛啟動(dòng)有史以來比較大規(guī)模的腦科學(xué)研究計(jì)劃，人類探索大腦的波瀾壯闊的歷史畫卷正在展開。工欲善其事，必先利其器。目前，各國腦科學(xué)計(jì)劃的一個(gè)重要方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜的研究工具。其中，如何打破尺度壁壘，整合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)與大腦整體的活動(dòng)和個(gè)體行為信息，是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
TOPTICAFemtoFiberultra920超快光纖激光器是一種易于操作且無需維護(hù)的激光系統(tǒng)。其輸出波長(zhǎng)為920nm，非常適合常規(guī)熒光基團(tuán)（如GFP，eGFP，Eosin，GCaMP，CFP，Calcein或者Venus）的雙光子激發(fā)。能給熒光基團(tuán)提供比較高的峰值功率，常用于神經(jīng)科學(xué)和其他與激光有關(guān)的生物光子學(xué)學(xué)科。而且其獨(dú)特設(shè)計(jì)（制造簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的光源）對(duì)雙光子熒光顯微鏡發(fā)展的革新具有潛在的可能。在雙光子顯微鏡中，峰值功率就是亮度！如果您希望獲得比較好的圖像亮度，那么你就需要短脈沖，高功率，較重要的是需要干凈的時(shí)間脈沖形狀。FemtoFiberultra920具有足夠高的輸出功率，較短的脈沖和獨(dú)特的Clean-Pulse技術(shù)，以及具有相對(duì)比較高的峰值功率，使得其在雙光子顯微鏡中可以實(shí)現(xiàn)****的亮度，而不會(huì)對(duì)樣品造成不必要的加熱。FemtoFiberultra920交鑰匙，完全集成的色散補(bǔ)償（可確保樣品處的脈沖較短），內(nèi)置的功率控制，操作直觀以及其堅(jiān)固而緊湊的設(shè)計(jì)，使該系統(tǒng)具有極為友好的用戶體驗(yàn)，是非線性顯微鏡應(yīng)用的較好解決方案。例如熒光蛋白的雙光子激發(fā)和基于SHG的對(duì)比機(jī)制。雙光子顯微鏡有哪些分類呢？
通過對(duì)顯微光學(xué)系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)，將FHIRM-TPM2.0的成像視場(chǎng)擴(kuò)展至420×420平方微米，顯微物鏡的工作距離擴(kuò)展至1mm，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)成像。嵌入可拆卸的快速軸向掃描模塊，實(shí)現(xiàn)深度180微米的三維體成像和多平面快速切換的實(shí)時(shí)成像。該模塊由一個(gè)快速電動(dòng)變焦鏡頭和一對(duì)中繼鏡頭組成，在不同深度成像時(shí)保持放大率恒定。其中，變焦模塊重1.8克，科研人員可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自由拆卸。此外，新型微型成像探頭可以瞬間插拔，極大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，避免了長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)物的干擾。反復(fù)裝卸探針追蹤同批神經(jīng)元時(shí)，視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角度小于0.07弧度，邊界偏差小于35微米。上海雙光子顯微鏡就找因斯蔻浦。美國ultima雙光子顯微鏡的原理
雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。進(jìn)口ultimainvestigator雙光子顯微鏡
基因編碼的熒光探針可用于在突觸和細(xì)胞分辨率下監(jiān)測(cè)體內(nèi)神經(jīng)元信號(hào)，這是揭示動(dòng)物神經(jīng)活動(dòng)復(fù)雜機(jī)制的關(guān)鍵。雙光子顯微鏡(2PM)可以對(duì)鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器進(jìn)行亞細(xì)胞分辨率的成像，從而測(cè)量不透明腦深部的活動(dòng)。成像膜的電壓變化可以直接反映神經(jīng)元的活動(dòng)，但神經(jīng)元活動(dòng)的速度對(duì)于常規(guī)的2PM來說太快了。目前，電壓成像主要由寬視場(chǎng)顯微鏡實(shí)現(xiàn)，但其空間分辨率較差，且只能在淺深度成像。因此，為了以高空間分辨率成像不透明腦中膜電壓的變化，需要將成像速率提高2PM。面向模塊輸出端的子脈沖序列可視為從虛擬光源陣列發(fā)出的光，這些子脈沖在中繼到顯微鏡物鏡后形成空間分離和時(shí)間延遲的聚焦陣列。然后，該模塊被集成到一個(gè)帶有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)雙光子熒光顯微鏡中，如圖2所示。光源是重復(fù)頻率為1MHz的920nm激光器。FACED模塊可以產(chǎn)生80個(gè)脈沖焦點(diǎn)，脈沖時(shí)間間隔為2ns。這些焦點(diǎn)是虛擬源的圖像。虛光源越遠(yuǎn)，物鏡處的光束尺寸越大，焦點(diǎn)越小。光束可以沿Y軸比沿X軸更好地填充物鏡，從而在X軸上產(chǎn)生0.82m和0.35m的橫向分辨率。進(jìn)口ultimainvestigator雙光子顯微鏡
