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雙光子熒光顯微鏡是結(jié)合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新技術(shù)。雙光子激發(fā)的基本原理是: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(zhǎng)波長(zhǎng)的光子,在經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的所謂激發(fā)態(tài)壽命的時(shí)間后,發(fā)射出一個(gè)波長(zhǎng)較短的光子;其效果和使用一個(gè)波長(zhǎng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)一半的光子去激發(fā)熒光分子是相同的。雙(多)光子成像優(yōu)勢(shì)在于,具有更深的組織穿透深度,利用紅外光,能夠在層面檢測(cè)極限達(dá)1mm的組織區(qū)域;因信號(hào)背景比高,而具有更高的對(duì)比度;因激發(fā)體積小,具有定點(diǎn)激發(fā)的特性,具有更少的光毒性;激發(fā)波長(zhǎng)由紫外、可見(jiàn)光調(diào)整為紅外激發(fā),能夠更加地安全。如果已經(jīng)有了飛秒光,就可以幾套雙光子顯微鏡共享一臺(tái),只需分光即可。國(guó)內(nèi)熒光雙光子顯微鏡熒光壽命計(jì)數(shù)
隨著技術(shù)的發(fā)展,雙光子顯微鏡的性能不斷優(yōu)化。結(jié)合其特點(diǎn),大致可以分為兩個(gè)方面:深入和主動(dòng)改進(jìn)。為了使激發(fā)激光進(jìn)入更深的層次,可以從器件優(yōu)化和標(biāo)本改造兩個(gè)方面入手。關(guān)于器件的優(yōu)化,我們可以把激光束做得更細(xì),集中能量,讓激光穿透得更深。對(duì)于樣品,物質(zhì)的吸收和散射是影響光傳播的主要因素。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們需要將樣本透明化。一種方法是用某種物質(zhì)浸泡標(biāo)本,使其中的物質(zhì)(主要是脂質(zhì))被破壞或溶解。另一種方法是通過(guò)電泳電解脂類,從而提高標(biāo)本的“透明度”。美國(guó)2PPLUS雙光子顯微鏡價(jià)位雙光子顯微鏡還可以對(duì)一些具有特性的染料細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn),還有一些短波長(zhǎng)可以利用雙光子特性進(jìn)行特定實(shí)驗(yàn)。
隨著技術(shù)的發(fā)展,雙光子顯微鏡的性能得到不斷地優(yōu)化,結(jié)合它的特點(diǎn),大致可以分成深和活兩方面的提升。要想讓激發(fā)激光進(jìn)入更深的層面,大致可從兩個(gè)方面入手,裝置優(yōu)化與標(biāo)本改造。關(guān)于裝置優(yōu)化,我們可以把激光束變得更細(xì),使能量更加集中,就能讓激光穿透更深。關(guān)于標(biāo)本,其中影響光傳播的主要是物質(zhì)吸收和散射,解決這個(gè)問(wèn)題,我們需要對(duì)樣本進(jìn)行透明化處理。一種方法是運(yùn)用某種物質(zhì)將標(biāo)本浸泡,使其中的物質(zhì)(主要是脂質(zhì))被破壞或溶解。另一種方法是運(yùn)用電泳將脂質(zhì)電解,讓標(biāo)本“透明度”提高。
雙光子技術(shù)在醫(yī)療診斷應(yīng)用中具有巨大的潛力,該領(lǐng)域還未形成標(biāo)準(zhǔn)和體系,還仍需要系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)研究與龐大的醫(yī)療數(shù)據(jù)加以支撐,通過(guò)研究人體基于多光子成像技術(shù),進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生化成分、微環(huán)境、組織形態(tài)、代謝功能的影響信息,找到與疾病的細(xì)胞學(xué)、分子生物學(xué)、組織病理學(xué)、診斷和特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系,共同探究生理病理基礎(chǔ)和分子細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制,篩選鑒定、皮膚病、自身免疫病及其他疑難疾病的診斷及鑒別診斷依據(jù),建立全新的多光子細(xì)胞診斷的完整數(shù)據(jù)庫(kù),定義出針對(duì)不同疾病的多光子臨床檢測(cè)設(shè)備的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。討論環(huán)節(jié),來(lái)自病理科、呼吸中心、心臟科、神經(jīng)科、皮膚科及研究所的多位醫(yī)師及研究人員紛紛結(jié)合各自的工作領(lǐng)域與王愛(ài)民副教授展開(kāi)了熱烈的討論,其中毛發(fā)中心楊頂權(quán)主任計(jì)劃再次邀請(qǐng)王愛(ài)民副教授進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。通過(guò)本次學(xué)術(shù)交流,病理科與研究所分別與王愛(ài)民副教授課題組達(dá)成了初步的合作意向。雙光子顯微鏡在組織透明化成像中應(yīng)用;
在高光子密度的情況下,熒光分子可以同時(shí)吸收兩個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子,然后發(fā)射出一個(gè)波長(zhǎng)較短的光子,其效果和使用一個(gè)波長(zhǎng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)一半的光子去激發(fā)熒光分子是相同的(如下圖)。如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH),在單光子激發(fā)時(shí),在波長(zhǎng)為350nm光的激發(fā)下發(fā)出450nm熒光;而在雙光子激發(fā)時(shí),可采用750nm的激發(fā)光得到450nm熒光。由于雙光子激發(fā)需要很高的光子密度,為了不損傷細(xì)胞,雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發(fā)出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量,從而可以減少光漂白和光毒性帶來(lái)的不利影響。雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖器。ultima2PPLUS雙光子顯微鏡光子躍遷
在深度組織中以較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)細(xì)胞成像,雙光子顯微鏡是當(dāng)前之選。國(guó)內(nèi)熒光雙光子顯微鏡熒光壽命計(jì)數(shù)
雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎(jiǎng)得主MariaGoeppertMayer提出,30年后因?yàn)橛辛思す獠诺玫綄?shí)驗(yàn)驗(yàn)證,但是到WinfriedDenk發(fā)明雙光子顯微鏡又用了將近30年。要理解雙光子的技術(shù)挑戰(zhàn)和飛秒激光發(fā)揮的重要作用,首先要了解其中的非線性過(guò)程。雙光子吸收相當(dāng)于和頻產(chǎn)生非線性過(guò)程,這要求極高的電場(chǎng)強(qiáng)度,而電場(chǎng)取決于聚焦光斑大小和激光脈寬。聚焦光斑越小,脈寬越窄,雙光子吸收效率越高。對(duì)于衍射極限顯微鏡,聚焦在樣品上的光斑大小只和物鏡NA和激光波長(zhǎng)有關(guān),所以關(guān)鍵變量只剩下激光脈寬?;谝陨戏治?,能夠以高重頻(100MHz)輸出超短脈沖(100fs量級(jí))的飛秒激光器成了雙光子顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)光源。這也再次說(shuō)明雙光子顯微鏡的優(yōu)勢(shì):只有焦平面處才能形成雙光子吸收,而焦平面之外由于光強(qiáng)低無(wú)法被激發(fā),所以雙光子成像更清晰。國(guó)內(nèi)熒光雙光子顯微鏡熒光壽命計(jì)數(shù)