由于具有较高输出功率的光源可以提高成像速度,在我们的实验中,时间分辨率主要是受OPO输出可见光激光功率的限制。尽管在单点扫描系统中,v2PE激发会使得空间分辨率提高,但多聚焦v2PE显微镜具有与1PE多聚焦显微镜近乎相同的横向分辨率,这主要是多聚焦成像和单点扫描技术之间的差异造成的。由于v2PE的激发体积小于1PE,引入图像扫描技术可以进一步提高空间分辨率,这种技术需要通过在阵列前引入额外的微透镜阵列来实现。除此之外,由于可见光区域的共振效应,可能会产生光漂白,因而为了延长观察时间,系统还需要对激发强度和曝光时间做进一步优化。双光子显微镜有这么多优点,那么双光子显微镜有哪些应用呢?布鲁克双光子...
双光子荧光显微镜是激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术相结合的新技术。双光子激发的基本原理是:在光子密度较高的情况下,荧光分子可以同时吸收两个波长较长的光子,经过短暂的所谓激发态寿命后,发射一个波长较短的光子;效果和用波长为长波长一半的光子激发荧光分子是一样的。双(多)光子成像的优点是具有更深的组织穿透深度,红外光可以在平面上探测到极限为1mm的组织区域;因为信号背景比高,所以具有更高的对比度;由于激发体积小,具有定点激发、光毒性小的特点;激发波长由紫外、可见光调整为红外激发,更加安全。双光子显微镜还可以对一些具有特性的染料细胞进行实验,还有一些短波长可以利用双光子特性进行特定实验。国外2PP...
随着技术的发展,双光子显微镜的性能得到不断地优化,结合它的特点,大致可以分成深和活两个方面的提升。深要想让激发激光进入更深的层面,大致可从两个方面入手,装置优化与标本改造。关于装置优化,我们可以把激光束变得更细,使能量更加集中,就能让激光穿透更深。关于标本,其中影响光传播的主要是物质吸收和散射,解决这个问题,我们需要对样本进行透明化处理。一种方法是运用某种物质将标本浸泡,使其中的物质(主要是脂质)被破坏或溶解。另一种方法是运用电泳将脂质电解,让标本“透明度”提高。高光子密度带来的高能量容易损伤细胞,所以双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量...
双光子之源:飞秒激光双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主MariaGoeppertMayer提出,30年后因为有了激光才得到实验验证,但是到WinfriedDenk发明双光子显微镜又用了将近30年。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用,首先要了解其中的非线性过程。双光子吸收相当于和频产生非线性过程,这要求极高的电场强度,而电场取决于聚焦光斑大小和激光脉宽。聚焦光斑越小,脉宽越窄,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和物镜NA和激光波长有关,所以关键变量只剩下激光脉宽。基于以上分析,能够以高重频(100MHz)输出超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光器成...
双光子显微镜为什么穿透能力强?生物组织在近红外波段存在两个窗口,第1个近红外窗口对应波长在700nm-900nm,第2个近红外窗口对应波长在1000nm-1400nm之间。举例说明就是单晶硅对于可见光几乎是不透明的,但是对于红外波段就像是“水晶”一样通透性很好了。原因有两点:1.生物组织对红外光的吸收弱,对可见光吸收强。类似的,平时用手电筒照射手指,会看到手通透红亮,也是由于生物组织对长波长的红光吸收少。2.生物组织对红外光的散射弱。因为瑞利散射的强度反比于波长λ的四次方。类似的,早晨的太阳非常红,也就是因为长波长的红光穿透力更强。这两点共同导致长波长的红外光比可见光对生物组织的穿透能力强。双...
随着技术的发展,双光子显微镜的性能得到不断地优化,结合它的特点,大致可以分成深和活两个方面的提升。深要想让激发激光进入更深的层面,大致可从两个方面入手,装置优化与标本改造。关于装置优化,我们可以把激光束变得更细,使能量更加集中,就能让激光穿透更深。关于标本,其中影响光传播的主要是物质吸收和散射,解决这个问题,我们需要对样本进行透明化处理。一种方法是运用某种物质将标本浸泡,使其中的物质(主要是脂质)被破坏或溶解。另一种方法是运用电泳将脂质电解,让标本“透明度”提高。高光子密度带来的高能量容易损伤细胞,所以双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量...
从双光子的原理和特点我们就可以明显的得出双光子的优点:☆光损伤小:由于双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为激发光源,这一波段的光对***细胞和组织的光损伤小,适用于长时间的研究;☆穿透能力强:相对于紫外光,可见光和近红外光都具有更强的穿透能力,因而受生物组织散射的影响更小,解决对生物组织中深层物质的层析成像研究问题;☆高分辨率:由于双光子吸收截面很小,只有在焦平面很小的区域内可以激发出荧光,双光子吸收只局限于焦点处的体积约为波长3次方的范围内;☆漂白区域小:由于激发只存在于交点处,所以焦点以外的区域都不会发生光漂白现象;☆荧光收集率高:与共聚焦成像相比,双光子成像不需要光学滤波器(共焦**...
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...
配合双光子激发技术,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,该点产生的荧光再次穿过物镜,被光探头接收,从而达到逐点扫描的效果。双光子显微镜还可以对一些具有特性的染料细胞进行实验,还有一些短波长可以利用双光...
单光子显微技术是成熟的荧光显微技术,但由于其使用的激发光波长较短,成像深度有限;能量较大,会造成对荧光物质的漂白,光毒性严重。激光共焦扫描显微镜由于共焦显微镜的孔径很小,实现样本三维成像要逐点扫描,成像速度慢,对样本损害大,很难用于长时间活细胞成像。而宽场显微镜能够很好地实现实时动态成像,光漂白小,因而较早应用于活细胞内的实时检测,但宽场显微镜由于离焦信号的干扰,难以实现多维成像。双光子荧光显微镜(Two-PhotonLaser-ScanningMicroscopy)。双光子显微成像技术是近些年发展起来的结合了共聚焦激光扫描显微镜和双光子激发技术的一种新型非线性光学成像方法,采用长波激发,能对...
双光子显微成像技术不是什么新技术,早在20多年前就有了,目前已经在生命科学和材料科学中广泛应用。几年前双光子**过期后,已经推出自己的双光子显微镜的厂家估计不少于10家以上。即便如此,世界上很多实验室都搭双光子,自己搭的好处有很多,首先是便宜,尤其是实验室已经有飞秒激光器,那就更很省钱了。其次是灵活,可以选择针对特殊用途的搭配,改动也灵活。结束后的好处就是可以锻炼队伍,一趟走下来可以把新手带出来,后期维护也更加自由。当然坏处也不少,首先是操心,特别是第1次搭的时候,开始要想方案,后来要解决各种实际问题。其次是花时间,加上买配件的时间,比买一台现成的商业化双光子耗时长。现在已经有不少关于如何搭双...
利用钙成像技术记录大脑活动,随着功能光学成像技术的发展,神经学家们已经可以研究脑区和神经元内部的工作情况。功能钙成像技术就是其中之一,其主要原理是将外源性荧光信号和生理现象耦合起来——通过荧光染料信号的改变反映细胞内游离钙离子浓度,以此细胞的功能状态。目前它被广泛应用于实时监测一群相关神经元内钙离子的变化,从而判断其功能活动。该技术的出现使得科学家可以亲眼目睹神经信号在神经网络之中时间和空间上的传递穿梭。双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为光源。荧光双光子显微镜图像对比度系统示意图如图1所示,红外激光束从蓝宝石激光器出射后,由一个光学参量振荡器(OPO)转化到可见光波段,产生的可见光脉冲宽...
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...
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,能够更加安全。双光子显微镜角膜成像。国内荧光激光双光子显微镜光损伤双光子荧光显微镜是结合...
共聚焦显微可以呈现这么漂亮的图像,是不是什么样品都可以用共聚焦显微镜拍拍拍.....得到各种各样清晰漂亮的图像呢?答案是否定的,任何事物都有优缺点,何况一台仪器呢,共聚焦显微镜也是有自己的局限,共聚焦有哪些局限呢:1.共聚焦显微镜只能拍摄约200um以内的的样品,对于厚的或者样品不能进拍摄;2.共聚焦显微镜由于是逐点进行扫描,对样品的光毒性还是比较大的,特别是拍摄活细胞样品时就更容易对样品进行淬灭;3.由于光照射的区域几乎能通过这个Z轴的层面,所以对于空间定点光刺激的实验定点位置就不是特别精确;并且激光共聚焦显微镜没有纯紫外进行激发,对于一些特殊激发波长的实验,效率非常低。双光子显微镜的基本原...
新一代微型化双光子荧光显微成像系统的成功研制是国家重大科研仪器研制专项的一个硕果。它彰显了北京大学在生物医学成像领域先期布局的前瞻性,锻炼了一支以年轻PI和硕博研究生为主体、具有学科交叉背景和重要技术创新能力的“中国智造”队伍。目前,该研发团队正在领衔建设“多模态跨尺度生物医学成像”十三五国家重大科技基础设施,积极参与即将启动的中国脑科学计划。可以期待,微型化双光子荧光显微成像系统将为实现“分析脑、理解脑、模仿脑”的战略目标发挥不可或缺的重要作用由于双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为激发光源,适用于长时间的研究。美国双光子显微镜磷光寿命计数Itrytoexplainwhytwo-phot...
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。双光子显微镜已成为较...
刚好双光子在这两点具有很大的优势在实际操作中成像的深度和样品的关系很大,双光子成像利用高亮度的荧光标记材料,已经有做到mm级别的穿透深度HighqualitycellularTPimagingwithhighsignal-to-backgroundratio(>100)andtissueimagingwithapenetrationdepthof2200μmhavebeenachievedwithP-QDasprobe.ExtremelyHighBrightnessfromPolymer-EncapsulatedQuantumDotsforTwo-photonCellularandDeep-t...
实验从理论和实验上评估了多焦点v2PE显微镜的空间分辨率,并与单光子荧光显微镜进行了对比,实验中v2PE的激发波长为521nm,使用放大倍率为100倍的物镜,尺寸为0.6AU,对直径100nm的荧光颗粒进行了测试性成像,共获得40幅不同采样深度的图像合成为三维图像。图像在横向和纵向的半高全宽分别是177nm和297nm,这些值接近显微镜的理论分辨率。后续还利用软件模拟从理论上研究了多焦点v2PE显微技术的空间分辨率,模拟计算显示v2PE点扩散函数(PSF)的横向半高宽与单光子激发荧光(1PE)相似,轴向的半高宽较1PE减少,可以提高空间分辨率。双光子显微镜在组织透明化成像中应用。国内双光子显微...
使用双光子显微镜可以以亚细胞分辨率对钙离子传感器和谷氨酸传感器成像,从而测量不透明大脑深处的活动;成像膜电压变化能直接反映神经元活动,但神经元活动的速度对于常规的2PM来说太快。目前电压成像主要通过宽场显微镜实现,但它的空间分辨率较差并且只是于浅层深度。因此要在不透明的大脑中以高空间分辨率对膜电压变化进行成像,需要较提高2PM的成像速率。FACED模块输出处的子脉冲序列可以看作从虚拟光源阵列发出的光,这些子脉冲在中继到显微镜物镜后形成了一个空间上分离且时间延迟的焦点阵列。然后将该模块并入具有高速数据采集系统的标准双光子荧光显微镜中,如图2所示。光源是具有1MHz重复频率的920nm的激光器,通...
通过并行化不同激光波长的激光扫描,研究人员增加了在相同时间内可以成像的体积,同时保持了高的时间和空间分辨率。研究人员通过引入两种不同波长的钙信号荧光探针,将神经元群体的活动标记为两种不同的颜色,同时激发两种不同波长的探针,从而实现了两种颜色的并行数据记录。为了实现三维空间成像,研究人员还在两个激光束上配置了快速变焦系统,即一个电透镜和一个空间光调制器。因此,可以以10Hz的速度同时记录10个500微米和500微米的平面,覆盖600微米的深度,覆盖大脑皮层第二层到第五层的结构,体积内可以记录2000多个神经元。如果已经有了飞秒光,就可以几套双光子显微镜共享一台,只需分光即可。国外ultima双光...
宇宙,浩瀚无垠,在数百亿光年可观测的空间里闪烁着上万亿个星系。人类1400克的大脑,如同一个小小的宇宙,包含了百亿级神经元和百万亿级的神经突触,其结构和功能上极其复杂而精密的连接,涌现出意识和思想--大脑小宇宙隐藏着世界上较佳丽较深邃的奥秘。新千年伊始,世界科技强国纷纷启动有史以来比较大规模的脑科学研究计划,人类探索大脑的波澜壮阔的历史画卷正在展开。工欲善其事,必先利其器。目前,各国脑科学计划的一个重要方向就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。其中,如何打破尺度壁垒,整合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的活动和个体行为信息,是领域内亟待解决的一个关键挑战。双光子显微镜中,...
在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收两个长波长的光子,然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(如下图)。如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH),在单光子激发时,在波长为350nm光的激发下发出450nm荧光;而在双光子激发时,可采用750nm的激发光得到450nm荧光。由于双光子激发需要很高的光子密度,为了不损伤细胞,双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量,从而可以减少光漂白和光毒性带来的不利影响。双光子显微镜在多个领域研究中已有许多成功实例。国外ultimainvestigator双光...
WinfriedDenk较初使用的光源是染料飞秒激光器(100fs脉宽、630nm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,ChrisXu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...
单光子显微技术是成熟的荧光显微技术,但由于其使用的激发光波长较短,成像深度有限;能量较大,会造成对荧光物质的漂白,光毒性严重。激光共焦扫描显微镜由于共焦显微镜的孔径很小,实现样本三维成像要逐点扫描,成像速度慢,对样本损害大,很难用于长时间活细胞成像。而宽场显微镜能够很好地实现实时动态成像,光漂白小,因而较早应用于活细胞内的实时检测,但宽场显微镜由于离焦信号的干扰,难以实现多维成像。双光子荧光显微镜(Two-PhotonLaser-ScanningMicroscopy)。双光子显微成像技术是近些年发展起来的结合了共聚焦激光扫描显微镜和双光子激发技术的一种新型非线性光学成像方法,采用长波激发,能对...
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,在经过一个很短激发态后,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。因其光损伤小、使得观察荧光细胞成为可能。中国医学科学院医学实验动物研究所-双光子显微镜成像平台借助于双光子显微镜成像技术及不同转基因小鼠开展对多种脏器的成像研究。以小鼠颅内成像为优势,可观察小鼠颅内神经细胞、小胶质细胞/巨噬细胞、周细胞、血管、转移瘤细胞、胶质瘤细胞等的变化情况,在**学、神经生物学、发育生物学、神经退行性疾病等...
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,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。双光子激发需要很高的光子密度,为了不损伤细胞,双光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。这种激光器发出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量,其脉冲宽度只有100飞秒,而其周期可以达到80至100兆赫兹。在使用高数值孔径的物镜将脉冲激光的光子聚焦时,物镜的焦点处的光子密度是比较高的,双光子激发只发生在物镜的焦点上,所以双光子显微镜不需要共聚焦***,提高了荧光检测效率。双光子显微镜是新...
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...
随着技术的发展,双光子显微镜的性能得到不断地优化,结合它的特点,大致可以分成深和活两个方面的提升。要想让激发激光进入更深的层面,大致可从两个方面入手,装置优化与标本改造。关于装置优化,我们可以把激光束变得更细,使能量更加集中,就能让激光穿透更深。关于标本,其中影响光传播的主要是物质吸收和散射,解决这个问题,我们需要对样本进行透明化处理。一种方法是运用某种物质将标本浸泡,使其中的物质(主要是脂质)被破坏或溶解。另一种方法是运用电泳将脂质电解,让标本“透明度”提高。双光子显微镜除了可以进行厚的组织样品拍摄以外呢,可以在小鼠的的任何部位进行成像。国内ultima2PPLUS双光子显微镜光毒性双光子显...
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。双光子显微镜在生物医学研究中有广泛的应用,可以观察细胞内的亚细胞结构、蛋白质分布...