美国激光荧光双光子显微镜光损伤

【科协 | 科普 】双光子显微镜：显微镜家族的隐秘“功臣”2017年10月4日，诺贝尔化学奖颁给了Jacques Dubochet、Joachim Frank 和 Richard Henderson，获奖理由是“研发冷冻电子显微镜，用于测定溶液中生物大分子高分辨率结构”。纵观整个科学史，显微镜技术的运用与发展是科学技术进步的重要一环，其中除了上面提到的冷冻电镜，其实还有一位“大功臣”——双光子显微镜。

这位“大功臣”的原理是什么？它是如何在显微镜领域做出巨大贡献的？具体又有怎样的现实应用呢？下面就给大家介绍一下~ 双光子显微镜比单光子共聚焦显微镜较大的不同在于无须使用孔限制光学散射；美国激光荧光双光子显微镜光损伤

2008年钱永健等人由于荧光蛋白（GFP，绿色荧光蛋白）的发现和使用，获得了诺贝尔化学奖，是对荧光成像技术的一次巨大肯定和推动。光学成像本身具有高分辨率、高通量、非侵入和非毒性等特点，再与荧光蛋白以及荧光染料等标记物在细胞中的定位与表达技术相结合，使得科学家可以特异性的分辨生物体乃至细胞内部不同结构与成分，并且能够在生命体和细胞仍具有活性的状态下（状态）对其功能进行动态观察。这就使得荧光成像技术成为了无可替代的，生物学家现今较为重要的技术手段之一。 目前，大多数细胞生物学和生理学研究主要还是在离体培养的细胞体系中研究。然而与细胞生物学研究有所不同的是，大脑的功能研究的整体性和原位性显得更加关键：只研究分离的神经元无法解释神经系统的功能和规律。由于被观测的信号会受到样本组织的散射和吸收，根本无法穿透如此深的组织进行成像。而双光子显微镜（Two-photon Microscopy，简称TPM）的发明，则为此类研究带来了希望。双光子显微镜特有的非线性光学特性，再加上其工作波长处在红外区域等特点，令其在生物体组织内的穿透深度较大提高，使得双光子显微镜成为神经科学家进行神经成像较理想的工具。 美国2PPLUS双光子显微镜授权公司的优势来源于其双光子光源的非线性光学效应；

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光子显微镜的文章，各种protocol，大多是老外写的，中文的较少。其实完全自己搭一套好用的系统还是不容易的，尤其是没有经验的时候，容易走弯路，多花钱，也多花时间，再加上双光子的重要器件都需要从国外购买，在国内买这些东西耗时较长。因此，我想总结一下我们的经验，贴出来分享，希望能帮到想自己动手的实验室

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。 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。

因为组织对可见光区域的较强吸收和散射带来两个严重的问题

第1个是激发光的减弱，

第2个就是另外就是由于物镜本身光的光学特性，单光子激发的背景较强，所以才有共聚焦系统提高成像的分辨率

因为组织对可见光区域的较强吸收和散射带来两个严重的问题

第1个是激发光的减弱，

第2个就是另外就是由于物镜本身光的光学特性，单光子激发的背景较强，所以才有共聚焦系统提高成像的分辨率

刚好双光子在这两点具有很大的优势上面的内容基本在谈到双光子优势都会相对说明，

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

在深度组织中以较长时间对细胞成像，双光子显微镜是当前之选。国外激光荧光双光子显微镜授权供应商

双光子显微镜能够在细胞甚至是亚细胞水平上对神经细胞的形态结构、离子浓度、细胞运动、进行直接成像监测；美国激光荧光双光子显微镜光损伤

双光子显微镜

在各领域研究中已有许多成功实例

生物领域：贝尔实验室的Svoboda等人研究了大脑皮层神经元细胞内钙离子动力学情形。利用双光子显微镜观察到的现象证明了钙离子的增加依赖于肌体触发的钠离子作用电势。信息领域：美国科学家Rentzepis提出了一种在现有二维光盘的基础上将数据储存扩展到三维空间。由于双光子激发具有作用精细体积小的特点，避免了层与层之间的互相干扰，极大地提高了数据储存密度。 美国激光荧光双光子显微镜光损伤

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