双光子的来源:飞秒激光的双光子吸收理论早在1931年就由诺贝尔奖获得者MariaGoeppertMayer提出,并在30年后因为激光而得到实验验证,但WinfriedDenk用了近30年才发明了双光子显微镜。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用,首先要理解非线性过程。双光子吸收相当于和频产生的非线性过程,需要极高的电场强度,电场取决于聚焦光斑的大小和激光脉冲宽度。聚焦光斑越小,脉冲宽度越窄,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与物镜NA和激光波长有关,所以关键变量只有激光脉冲宽度。基于以上分析,能够输出高重复率(100MHz)的超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光已经成为双光子显微镜的标准激发光源。这再次显示了双光子显微镜的优势:双光子吸收只能在焦平面形成,而在焦平面之外,由于光强较低,无法激发,所以双光子成像更清晰。双光子显微镜中,同样每个时刻只有焦平面上一个点的信号被探测,并且连焦平面外的荧光信号也不会有。国外激光荧光双光子显微镜应用
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针空有效滤除了杂散光,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,针空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。双光子显微镜蕞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蕞大的不同在于无须使用针空限制光学散射,其具体优势如下所述。荧光激光双光子显微镜的成像视野双光子显微镜将得到更大的发展与更广的应用。
双光子荧光显微镜是结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术。双光子激发的基本原理是: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,在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后,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。双(多)光子成像优势在于,具有更深的组织穿透深度,利用红外光,能够在层面检测极限达1mm的组织区域;因信号背景比高,而具有更高的对比度;因激发体积小,具有定点激发的特性,具有更少的光毒性;激发波长由紫外、可见光调整为红外激发,使其能够更加安全。
配合了双光子激发技术,激光共聚扫描显微镜则能更好得发挥功效。那么什么是双光子激发技术呢?在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收2个长波长的光子使电子跃迁到较高能级,经过一个很短的时间后,电子再跃迁回低能级同时放出一个波长为长波长一半的光子(P=h/λ)。利用这个原理,便诞生了双光子激发技术。双光子显微镜使用长波长脉冲激光,通过物镜汇聚,由于双光子激发需要很高的光子密度,而物镜焦点处的光子密度是比较高的,所以只有在焦点处才能发生双光子激发,产生荧光,该点产生的荧光再穿过物镜,被光探头接收,从而达到逐点扫描的效果。双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为光源。
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。成像平台倒置双光子显微镜启用显微镜自带调焦设备。国内2PPLUS双光子显微镜图像对比度
双光子显微镜有哪些分类呢?国外激光荧光双光子显微镜应用
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。 国外激光荧光双光子显微镜应用