2PPLUS雙光子顯微鏡掃描深度

系統(tǒng)示意圖如圖1所示，紅外激光束從藍(lán)寶石激光器出射后，由一個(gè)光學(xué)參量振蕩器（OPO）轉(zhuǎn)化到可見光波段，產(chǎn)生的可見光脈沖寬度為200 fs, 重復(fù)頻率80 MHz，波長在490-750nm范圍內(nèi)可調(diào)諧。光束通過透鏡及平面鏡中繼到包含微透鏡陣列盤和陣列盤的共聚焦掃描單元中，形成用于熒光激發(fā)的多焦點(diǎn)光束。多焦點(diǎn)光束通過一個(gè)硅油浸潤的物鏡成像到樣品上，激發(fā)熒光信號(hào)。熒光信號(hào)由同一個(gè)物鏡收集并傳輸?shù)疥嚵袌A盤，產(chǎn)生共焦效應(yīng)，隔離來自焦平面外的雜散光。對(duì)于顯微成像技術(shù)包含：寬場(chǎng)熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、轉(zhuǎn)盤共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡。2PPLUS雙光子顯微鏡掃描深度

在2020年12月22日，臨研所、病理科和科研處邀請(qǐng)北京大學(xué)王愛民副教授做了題目為“新一代微型雙光子顯微成像系統(tǒng)介紹及其在臨床醫(yī)療診斷”的學(xué)術(shù)報(bào)告。學(xué)術(shù)報(bào)告由臨研所醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)潘琳老師主持。王愛民，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授，畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，獲學(xué)士、碩士學(xué)位，后于英國巴斯大學(xué)物理系獲博士學(xué)位。該研究組研發(fā)的微型雙光子顯微鏡，第1次在國際上獲得了小鼠大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸清晰穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)信號(hào)，該成果獲得了2017年度“中國光學(xué)進(jìn)展”和“中國科學(xué)進(jìn)展”，并被Nature Methods評(píng)為2018年度“年度方法--無限制行為動(dòng)物成像”。目前，該研究組正在研究新一代雙光子顯微成像技術(shù)在臨床診斷中的應(yīng)用，為未來即時(shí)病理、離體組織檢測(cè)、術(shù)中診斷等提供新的影像手段和分析方法。國內(nèi)激光熒光雙光子顯微鏡供應(yīng)商聯(lián)系方式雙光子顯微鏡比單光子共聚焦顯微鏡較大的不同在于無須使用孔限制光學(xué)散射。

后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用碘化丙啶(PI)來指示細(xì)胞在7、8、9和10分鐘的延時(shí)觀察后的損傷情況，來驗(yàn)證該光學(xué)系統(tǒng)對(duì)活細(xì)胞長期觀察的適用性。在觀察期間，88個(gè)焦點(diǎn)以100毫秒的曝光時(shí)間，曝光間隔1s照射樣品，激發(fā)強(qiáng)度為3.21×104W/cm2，激發(fā)波長為525nm，使用前文提到的60×物鏡及1.0AU孔徑，圖5(a)-(d)為引入PI的成像圖，(e)-(h)為相應(yīng)的相應(yīng)襯度圖。改變激發(fā)條件為每照射500ms間隔5s，得到相應(yīng)的(i)-(p)。由圖像可知，延時(shí)觀察小于8分鐘的情況下不造成可見細(xì)胞損傷，對(duì)于實(shí)際3D延時(shí)成像，由于焦平面是移動(dòng)的，所以預(yù)期細(xì)胞存活時(shí)間會(huì)更長，可見這是一種在3D在體延時(shí)成像中具有很大優(yōu)勢(shì)的成像方案。

在傳統(tǒng)寬場(chǎng)顯微鏡中，來自標(biāo)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(gè)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(zhì)上的提高，擁有了對(duì)樣品的特定焦平面精細(xì)成像的能力，可以進(jìn)行三維成像、動(dòng)態(tài)成像等。然而，***在濾除雜散光的同時(shí)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(dá)檢測(cè)器。若要提高信號(hào)強(qiáng)度，需要加大激發(fā)光功率，這又會(huì)導(dǎo)致對(duì)活細(xì)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(yōu)勢(shì)來源于其雙光子光源的非線性光學(xué)效應(yīng)，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(xué)散射，其具體優(yōu)勢(shì)如下。雙光子顯微鏡已成為較厚有生命體生物組織三維成像中不可或缺的工具。

雙光子顯微鏡的優(yōu)勢(shì)：在深度組織中以較長時(shí)間對(duì)活細(xì)胞成像，雙光子顯微鏡是當(dāng)前之選。雙光子和共聚焦顯微鏡都是通過激光激發(fā)樣品中的熒光標(biāo)記，使用探測(cè)器測(cè)量被激發(fā)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(fā)熒光，而雙光子使用飛秒激光器，通過幾乎同時(shí)吸收兩個(gè)長波光子激發(fā)熒光。下面是兩種技術(shù)的對(duì)比圖。雙光子激發(fā)熒光的主要優(yōu)勢(shì)：雙光子比共聚焦使用的更長的波長，所以對(duì)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(dá)到250到500微米，甚至超過1毫米。另外，同時(shí)吸收兩個(gè)光子意味只有度聚焦點(diǎn)處能被激發(fā)，所以不會(huì)損傷焦平面之外的組織，并且生成更清晰的圖像。雙光子顯微鏡是結(jié)合了雙光子激發(fā)技術(shù)和激光掃描共聚顯微鏡。國內(nèi)ultima2PPLUS雙光子顯微鏡原理

雙光子顯微鏡觀察到的現(xiàn)象證明了鈣離子的增加依賴于肌體觸發(fā)的鈉離子作用電勢(shì)。2PPLUS雙光子顯微鏡掃描深度

使用雙光子顯微鏡（2PM）可以以亞細(xì)胞分辨率對(duì)鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器成像，從而測(cè)量不透明大腦深處的活動(dòng)；成像膜電壓變化能直接反映神經(jīng)元活動(dòng)，但神經(jīng)元活動(dòng)的速度對(duì)于常規(guī)的2PM來說太快。目前電壓成像主要通過寬場(chǎng)顯微鏡實(shí)現(xiàn)，但它的空間分辨率較差并且只是于淺層深度。因此要在不透明的大腦中以高空間分辨率對(duì)膜電壓變化進(jìn)行成像，需要較提高2PM的成像速率。FACED模塊輸出處的子脈沖序列可以看作從虛擬光源陣列發(fā)出的光，這些子脈沖在中繼到顯微鏡物鏡后形成了一個(gè)空間上分離且時(shí)間延遲的焦點(diǎn)陣列。然后將該模塊并入具有高速數(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。光源是具有1MHz重復(fù)頻率的920nm的激光器，通過FACED模塊可產(chǎn)生80個(gè)脈沖焦點(diǎn)，其脈沖時(shí)間間隔為2ns。這些焦點(diǎn)是虛擬源的圖像，虛擬源越遠(yuǎn)，物鏡處的光束尺寸越大，焦點(diǎn)越小。光束沿y軸比x軸能更好地充滿物鏡，從而導(dǎo)致x軸的橫向分辨率為0.82μm，y軸的橫向分辨率為0.35μm。2PPLUS雙光子顯微鏡掃描深度

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