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美國(guó)布魯克雙光子顯微鏡的成像視野

來(lái)源: 發(fā)布時(shí)間:2022-10-30

雙光子顯微鏡的優(yōu)勢(shì):在深度組織中以較長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的波長(zhǎng),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。雙光子顯微鏡有這么多優(yōu)點(diǎn),那么雙光子顯微鏡有哪些應(yīng)用呢?美國(guó)布魯克雙光子顯微鏡的成像視野

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后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用碘化丙啶(PI)來(lái)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(lái)驗(yàn)證該光學(xué)系統(tǒng)對(duì)活細(xì)胞長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng),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。國(guó)外熒光激光雙光子顯微鏡原理雙光子顯微鏡大量運(yùn)營(yíng)在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中;

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新一代微型化雙光子熒光顯微鏡體積小,重只2.2克,適于佩戴在小動(dòng)物頭部顱窗上,實(shí)時(shí)記錄數(shù)十個(gè)神經(jīng)元、上千個(gè)神經(jīng)突觸的動(dòng)態(tài)信號(hào)。在大型動(dòng)物上,還可望實(shí)現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長(zhǎng)時(shí)程觀測(cè)。相比單光子激發(fā),雙光子激發(fā)具有良好的光學(xué)斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢(shì),其橫向分辨率達(dá)到0.65μm,成像質(zhì)量與商品化大型臺(tái)式雙光子熒光顯微鏡可相媲美,遠(yuǎn)優(yōu)于目前領(lǐng)域內(nèi)主導(dǎo)的、美國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃重要團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的微型化寬場(chǎng)顯微鏡。采用雙軸對(duì)稱高速微機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù),成像幀頻已達(dá)40Hz(256*256像素),同時(shí)具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒1萬(wàn)線的線掃描能力。此外,采用自主設(shè)計(jì)可傳導(dǎo)920nm飛秒激光的光子晶體光纖,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微型雙光子顯微鏡對(duì)腦科學(xué)領(lǐng)域較廣泛應(yīng)用的指示神經(jīng)元活動(dòng)的熒光探針(如GCaMP6)的有效利用。 同時(shí)采用柔性光纖束進(jìn)行熒光信號(hào)的接收,解決了動(dòng)物的活動(dòng)和行為由于熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。未來(lái),與光遺傳學(xué)技術(shù)的結(jié)合,可望在結(jié)構(gòu)與功能成像的同時(shí),精細(xì)地操控神經(jīng)元和神經(jīng)回路的活動(dòng)。

Denk很快就將雙光子顯微鏡用于神經(jīng)元成像,而1997年在Svoboda測(cè)量完整老鼠大腦的錐體神經(jīng)元的感官刺激誘導(dǎo)樹突鈣離子動(dòng)態(tài)后,雙光子顯微鏡的潛能開始完全凸顯。值得一提的是,霍華德·休斯醫(yī)學(xué)院Svoboda實(shí)驗(yàn)室和Thorlabs在2016年合作推出了一種強(qiáng)大的多光子介觀顯微鏡,其成像視場(chǎng)達(dá)到5毫米,能夠跨多個(gè)腦區(qū)進(jìn)行高速功能成像。根據(jù)清華大學(xué)單一采購(gòu)來(lái)源的**指導(dǎo)意見:這種顯微鏡的視場(chǎng)是普通雙光子顯微鏡的10倍。30年來(lái),雙光子顯微鏡已成為較厚生物組織三維成像中不可或缺的工具。從雙光子到三光子甚至四光子,這種非線性成像技術(shù)通常也被統(tǒng)稱為多光子顯微鏡。下圖統(tǒng)計(jì)了自1990年以來(lái)每年發(fā)表的多光子顯微鏡文章數(shù)量,發(fā)展速度可見一斑。成像平臺(tái)倒置雙光子顯微鏡啟用顯微鏡自帶調(diào)焦設(shè)備。

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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。高光子密度帶來(lái)的高能量容易損傷細(xì)胞,所以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,其脈沖達(dá)到最大值所持續(xù)的周期只有十萬(wàn)億分之一秒,而其頻率可以達(dá)到80至100兆赫,這樣即能達(dá)到雙光子激發(fā)的高光子密度要求,又能不損傷細(xì)胞,使掃描能更好地進(jìn)行。雙光子顯微鏡可以精確穿透較厚標(biāo)本進(jìn)行定點(diǎn)、有生命體的觀察!美國(guó)布魯克雙光子顯微鏡的成像視野

雙光子顯微鏡在各領(lǐng)域研究中已有許多成功實(shí)例。美國(guó)布魯克雙光子顯微鏡的成像視野

N摻雜可以明顯影響碳點(diǎn)(CDs)的發(fā)射和激發(fā)特性,使雙光子碳點(diǎn)(TP-CDs)具有本征雙光子激發(fā)特性和605 nm的紅光發(fā)射特性。在638 nm激光照射下,除了長(zhǎng)波激發(fā)和發(fā)射外,還可以實(shí)現(xiàn)活性氧(ROS)的產(chǎn)生,這為光動(dòng)力技術(shù)提供了巨大的可能性。更重要的是,通過各種表征和理論模擬證實(shí),摻雜誘導(dǎo)的N雜環(huán)在TP-CDs與RNA的親和力中起關(guān)鍵作用。這種親和力不僅為實(shí)現(xiàn)核仁特異性自我靶向提供了可能,而且通過ROS斷裂RNA鏈解離TP-CDs@RNA復(fù)合物,賦予治療過程中的熒光變異。TP-CDs結(jié)合了ROS的產(chǎn)生能力、光動(dòng)力療法(PDT)過程中的熒光變化、長(zhǎng)波激發(fā)和發(fā)射特性以及核仁的特異性自靶向性,可以認(rèn)為是一種結(jié)合核仁動(dòng)態(tài)變化實(shí)時(shí)處理的智能CDs。美國(guó)布魯克雙光子顯微鏡的成像視野

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