進口雙光子顯微鏡的原理

在傳統寬場顯微鏡中，來自標本不同縱深的光線都可投射到同一焦平面（感光元件）上，所以其成像是整個樣品的重疊像，沒有縱向分辨能力。單光子激光共聚焦顯微鏡用***有效濾除了雜散光，分辨率有了本質上的提高，擁有了對樣品的特定焦平面精細成像的能力，可以進行三維成像、動態成像等。然而，***在濾除雜散光的同時也將大部分來自焦平面的熒光濾除了，只有很弱的熒光到達檢測器。若要提高信號強度，需要加大激發光功率，這又會導致對活細胞的光毒性和熒光分子的光漂白增加。雙光子顯微鏡比較大的優勢來源于其雙光子光源的非線性光學效應，與單光子共聚焦顯微鏡比較大的不同在于無須使用***限制光學散射，其具體優勢如下。雙光子顯微鏡能夠進行指標成像；進口雙光子顯微鏡的原理

雙光子之源：飛秒激光雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因為有了激光才得到實驗驗證，但是到WinfriedDenk發明雙光子顯微鏡又用了將近30年。要理解雙光子的技術挑戰和飛秒激光發揮的重要作用，首先要了解其中的非線性過程。雙光子吸收相當于和頻產生非線性過程，這要求極高的電場強度，而電場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和激光波長有關，所以關鍵變量只剩下激光脈寬。基于以上分析，能夠以高重頻(100MHz)輸出超短脈沖(100fs量級)的飛秒激光器成了雙光子顯微鏡的標準激發光源。這也再次說明雙光子顯微鏡的優勢：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低無法被激發，所以雙光子成像更清晰。國外熒光激光雙光子顯微鏡磷光壽命計數雙光子顯微鏡觀察到的現象證明了鈣離子的增加依賴于肌體觸發的鈉離子作用電勢。

在深度組織中以較長時間對活細胞成像，雙光子顯微鏡是當前之選。雙光子和共聚焦顯微鏡都是通過激光激發樣品中的熒光標記，使用探測器測量被激發的熒光。但是，共聚焦一般使用單模光纖耦合激光器，通過單光子激發熒光，而雙光子使用飛秒激光器，通過幾乎同時吸收兩個長波光子激發熒光。下面是兩種技術的對比圖。雙光子激發熒光的主要優勢：雙光子比共聚焦使用的更長的波長，所以對組織的損傷更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般為100微米，雙光子則能達到250到500微米，甚至超過1毫米。另外，同時吸收兩個光子意味只有較強度聚焦點處能被激發，所以不會損傷焦平面之外的組織，并且生成更清晰的圖像。

目前，腦科學的研究在全球范圍內如火如荼，中國的腦計劃也即將啟動。其中，全景式分析腦連接圖和功能動態圖的研究成為重點研究方向，如何打破尺度壁壘，將微觀神經元和突觸的信息處理和個體行為信息與全腦融合，是該領域亟待解決的關鍵挑戰。2021年1月6日，由北京大學分子醫學研究所牽頭，北京大學信息科學與技術學院電子系、工程學院和中國人民醫學科學院組成的跨學科團隊在NatureMethods上在線發表了一篇題為《大視場、多平面、長程腦成像的微型雙光子拷貝》的文章。本文報道了第二代小型化雙光子熒光顯微鏡FHIRM-TPM2.0。其成像視場是團隊2017年發布的第1代小型化顯微鏡的7.8倍。同時具有三維成像能力，獲得了小鼠自由運動行為時大腦三維區域數千個神經元清晰穩定的動態功能圖像，實現了對同一批次神經元一個月的跟蹤記錄。對于顯微成像技術包含：寬場熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、轉盤共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡。

從雙光子的原理和特點我們就可以明顯的得出雙光子的優點：☆光損傷小：由于雙光子顯微鏡使用的是可見光或近紅外光作為激發光源，這一波段的光對***細胞和組織的光損傷小，適用于長時間的研究；☆穿透能力強：相對于紫外光，可見光和近紅外光都具有更強的穿透能力，因而受生物組織散射的影響更小，解決對生物組織中深層物質的層析成像研究問題；☆高分辨率：由于雙光子吸收截面很小，只有在焦平面很小的區域內可以激發出熒光，雙光子吸收只局限于焦點處的體積約為波長3次方的范圍內；☆漂白區域小：由于激發只存在于交點處，所以焦點以外的區域都不會發生光漂白現象；☆熒光收集率高：與共聚焦成像相比，雙光子成像不需要光學濾波器（共焦***），這樣就提高了對熒光的收集率，而收集率的提高直接導致圖像對比度的提高；☆圖像對比度高：由于熒光波長小于入射波長，因而瑞利散射產生的背景噪聲只有單光子激發時的1/16，較大降低了散射的干擾；☆光子躍遷具有很強的選擇激發性，所以可以對生物組織中一些特殊物質進行成像研究；雙光子顯微鏡有哪些應用呢？bruker雙光子顯微鏡授權公司

雙光子顯微鏡角膜成像。進口雙光子顯微鏡的原理

配合雙光子激發技術，激光共聚掃描顯微鏡則能更好得發揮功效。那么，什么是雙光子激發技術呢？在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時吸收2個長波長的光子使電子躍遷到較高能級，經過一個很短的時間后，電子再躍遷回低能級同時放出一個波長為長波長一半的光子（P=h/λ）。利用這個原理，便誕生了雙光子激發技術。雙光子顯微鏡使用長波長脈沖激光，通過物鏡匯聚，由于雙光子激發需要很高的光子密度，而物鏡焦點處的光子密度是比較高的，所以只有在焦點處才能發生雙光子激發，產生熒光，該點產生的熒光再次穿過物鏡，被光探頭接收，從而達到逐點掃描的效果。進口雙光子顯微鏡的原理