雙光子吸收/激發(fā)技術(shù)的原理:在強(qiáng)光激發(fā)下,分子同時(shí)吸收兩個(gè)光子,從基態(tài)躍遷到兩倍光子能量的激發(fā)態(tài)的過(guò)程。兩個(gè)光子可以是相同波長(zhǎng)的,也可以是不同波長(zhǎng)的,但必須是同時(shí)吸收(兩個(gè)光子到達(dá)被激發(fā)分子的時(shí)間間隔小于1飛秒)??梢赃@樣理解,先吸收一個(gè)光子的能量躍遷到一個(gè)虛擬的中間態(tài),然后再吸收一個(gè)光子的能量躍遷到激發(fā)態(tài)。 雙光子顯微鏡相對(duì)于共聚焦等其他顯微鏡的優(yōu)點(diǎn): ~ 光損傷?。河捎陔p光子顯微鏡使用的是可見(jiàn)光或近紅外光作為激發(fā)光源,這一波段的光對(duì)活體細(xì)胞和組織的光損傷小,適用于長(zhǎng)時(shí)間的研究; ~ 穿透能力強(qiáng):相對(duì)于紫外光,可見(jiàn)光和近紅外光都具有更強(qiáng)的穿透能力,因而受生物組織散射的影響更小,解決對(duì)生物組織中深層物質(zhì)的層析成像研究問(wèn)題;研究表明,共聚焦熒光成像的成像深度一般在50微米左右,而雙光子顯微鏡的成像深度可達(dá)1000微米; ~ 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(qū)域內(nèi)可以激發(fā)出熒光,雙光子吸收僅局限于焦點(diǎn)處的體積約為波長(zhǎng)3次方的范圍內(nèi)
在體可傾斜雙光子顯微成像系統(tǒng) 雙光子顯微成像系統(tǒng)的原理 雙光子顯微成像系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn) 紅外激光?秒級(jí)脈沖要求 IV級(jí)別; 可調(diào)鈦:藍(lán)寶?光源; ?光?到達(dá)焦點(diǎn)同步性; 能量疊加在焦點(diǎn)激發(fā)熒光; 光?能量?以在焦點(diǎn)激發(fā)?個(gè)熒光事件; 要求必須在?個(gè)?常?的樣本區(qū)域激發(fā)染料; ?分辨率; 激發(fā)和發(fā)射都需要?分辨率 , 因?yàn)槲覀円ぐl(fā)?個(gè)?常?的點(diǎn),我們必須保持移動(dòng)的點(diǎn),以激發(fā)整個(gè)樣品,這是 ?次掃描,我們使?電動(dòng)旋轉(zhuǎn)反射移動(dòng)這?點(diǎn),?個(gè)移動(dòng)的位置在X(左/右)和? 個(gè)移動(dòng)位置在Y(向上/向下) 下?的圖?顯?了?個(gè)簡(jiǎn)化的相機(jī)傳感器,每個(gè)圓圈是?個(gè)敏感的像素 當(dāng)??個(gè)相機(jī)成像時(shí),光是從樣品上的?個(gè)單獨(dú)的像素位點(diǎn)到達(dá)傳感器的, 傳感器同時(shí)能讀取這個(gè)像素位點(diǎn)的信息 但是PMT不同于相機(jī)成像,它是?個(gè)光敏感像素,并且它能分辨出光量多少 我們需要將樣品分成更多的??積區(qū)域,PMT逐?讀取每個(gè)?區(qū)域?的光信息,即我們 通常所說(shuō)的像素 PMT讀取順序 軟件將PMT采集到的這些信息重新組建成類(lèi)似于?賽克?樣的圖?,我們可以很清 晰的還原圖像。 雙光子顯微成像系統(tǒng)的用途 在較厚的?物樣品中采集到較薄的光學(xué)切?熒光圖像; 在體雙光?熒光成像,可在活體動(dòng)物組織上實(shí)現(xiàn)超過(guò)300微?的成像深度,觀察感興趣神經(jīng)細(xì) 胞的快速3D動(dòng)態(tài)變化; 對(duì)于需要超?鏡下空間的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物更有優(yōu)勢(shì),?如清醒?動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái); 在體可傾斜 雙光?成像物鏡可在三維平?內(nèi)做任意?度的傾斜,以適應(yīng)不同樣品不同成像 區(qū)域的需求; 雙光?成像系統(tǒng)可為在體電?理記錄提供圖像信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)特定?標(biāo)神經(jīng)元的紀(jì)錄; 可以與電?理記錄、動(dòng)物?為測(cè)量系統(tǒng)相互觸發(fā),實(shí)現(xiàn)同步紀(jì)錄; 雙光子顯微成像系統(tǒng)的成像特點(diǎn) 在體可傾斜 雙光?成像物鏡可在三維平?內(nèi)做 任意?度的傾斜,以適應(yīng)不同樣品不同成像區(qū)域的 需求 三維深層掃描 掃描深度可達(dá)900微? 只激發(fā)焦點(diǎn)區(qū)域,光毒性? 信噪??,圖像清晰度? 1. 任意?度在體雙光?顯微成像系統(tǒng)是?套采??功率超快?秒脈沖激光器作為激 發(fā)光源、在較厚的?物樣品中采集到較薄的光學(xué)切?熒光圖像的顯微鏡設(shè)備; 2. 主要應(yīng)?于在體雙光?熒光成像,可在活體動(dòng)物組織上實(shí)現(xiàn)超過(guò)300微?的成像深 度,觀察感興趣神經(jīng)細(xì)胞的快速3D動(dòng)態(tài)變化; 3. 對(duì)于需要超?鏡下空間的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物更有優(yōu)勢(shì),?如清醒?動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。雙光? 成像物鏡可在三維平?內(nèi)做任意?度的在體圖像,以適應(yīng)不同樣品不同成像區(qū)域 的需求。 雙光子顯微成像系統(tǒng)能解決的問(wèn)題 購(gòu)買(mǎi)雙光子顯微成像系統(tǒng)的必要性 1. 在體研究的必要性: 味覺(jué),視覺(jué),嗅覺(jué),聽(tīng)覺(jué),觸覺(jué)是動(dòng)物所能接受的所有外部刺激,?腦就是依靠這五種 感官的輸?來(lái)認(rèn)知、學(xué)習(xí)與記憶整個(gè)外部世界的。?前來(lái)說(shuō),科研從in vitro到in vivo,多數(shù)in vivo實(shí)驗(yàn)是在?醉動(dòng)物上實(shí)現(xiàn)的,如何對(duì)freely moving animal進(jìn)?研究成了科研難點(diǎn)。?相 對(duì)于?醉狀態(tài)下的動(dòng)物來(lái)說(shuō), freely moving animal的動(dòng)物才是?命最真實(shí)的狀態(tài),在freely moving animal上的實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)也才是最可靠的數(shù)據(jù)。 購(gòu)買(mǎi)雙光子顯微成像系統(tǒng)的必要性 2. ?前科研研究現(xiàn)狀: 我們?cè)谘芯磕X功能時(shí),通最常?的?法就是神經(jīng)電?理的?法,?如我們想知道?腦某些特 定的區(qū)域或者特定的細(xì)胞,執(zhí)?什么功能,?先要設(shè)置?個(gè)合理的任務(wù),研究動(dòng)物的?為,?如 曠場(chǎng)試驗(yàn),?迷宮實(shí)驗(yàn),?架迷宮實(shí)驗(yàn),同時(shí)我們會(huì)定量記錄?腦的電?理的活動(dòng),從?看?腦的 電?理活動(dòng)與這個(gè)任務(wù)是如何相關(guān)的,也就是說(shuō)對(duì)?腦的電?理活動(dòng)與動(dòng)物?為學(xué)進(jìn)?相關(guān)性 分析,那我們就可以知道,動(dòng)物在做某些特定?為的時(shí)候,?腦哪些細(xì)胞在放電,哪些腦區(qū)會(huì)有反 應(yīng).這是?較典型的做法。由于?前在體電?理?多數(shù)是采?盲插的?式,我們看不到細(xì)胞的 具體形態(tài),如果與雙光?技術(shù)結(jié)合,我們就既可以看到細(xì)胞的放電活動(dòng),?可以觀察細(xì)胞在 形態(tài)學(xué)上的特征,從?更好的研究神經(jīng)細(xì)胞的功能及其特點(diǎn)。 雙光子顯微成像系統(tǒng)在我平臺(tái)的應(yīng)用 1. 主要應(yīng)?于清醒?動(dòng)物在體熒光(結(jié)構(gòu)與鈣離?功能)成像,可以與本課題組??開(kāi)發(fā)搭建的虛擬現(xiàn)實(shí)?為學(xué) 平臺(tái)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的?為學(xué)習(xí)過(guò)程中,對(duì)其神經(jīng)環(huán)路的功能和形態(tài)的變化進(jìn)??期觀察(chronic imaging); 2. 該系統(tǒng)與膜?鉗系統(tǒng)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)雙光?成像引導(dǎo)下的?標(biāo)膜?鉗記錄(two-photon microscopy guided targeted patch-clamp recordings),可以將功能成像的群體記錄(population recordings)與單細(xì)胞閾值下的膜電位 (single-cell subthreshold membrane potential recordings)相結(jié)合,揭?神經(jīng)?絡(luò)的活性是如何決定?絡(luò)中單 個(gè)神經(jīng)元的表征的; 3. 該系統(tǒng)還配備了單細(xì)胞電穿儀(single-cell electroporator),可以在雙光?顯微成像的引導(dǎo)下,使?電轉(zhuǎn)導(dǎo)將外 源基因?qū)?對(duì)活體動(dòng)物體內(nèi)的指定單個(gè)細(xì)胞內(nèi),通過(guò)干涉單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá),并且跟蹤觀察其結(jié)構(gòu)和功能的 變化,以及它對(duì)局部神經(jīng)?絡(luò)的影響,研究特定細(xì)胞在?為學(xué)習(xí)、?絡(luò)調(diào)控、甚?是病程發(fā)展中的變化和作?; 4. 與學(xué)院已建?的神經(jīng)分?與細(xì)胞?物學(xué)的研究平臺(tái)相結(jié)合,將進(jìn)?步拓展研究?段和研究范圍,形成從分?細(xì) 胞層?,到神經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)功能,直?整體動(dòng)物?為與功能的全?位研究體系; 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要滿足的條件 1.適合在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?的固定載物臺(tái)式正置顯微鏡:電動(dòng)Z軸,精度≦20nm,調(diào)焦?程 25mm;電動(dòng)XY軸,精度 ≦20nm,XY移動(dòng)整體在體實(shí)驗(yàn)平臺(tái),?程 50mm; 2. 掃描成像模式:共振掃描與檢流計(jì)掃描混合的?式。能實(shí)現(xiàn)512x512像素分辨率下 28幀/秒的成像速度; 3.雙通道PMT檢測(cè)模塊。兩個(gè)通道均配置?靈敏度GaAsP PMT檢測(cè)器,檢測(cè)模塊包含IR阻擋濾鏡、紅綠發(fā)射熒光分 光濾?鏡組。為提?檢測(cè)效率,檢測(cè)器需緊靠物鏡,并且調(diào)焦時(shí)物鏡與檢測(cè)器的相對(duì)位置不變; 4.成像物鏡可在三維平?內(nèi)做任意?度的傾斜,為保證成像穩(wěn)定性,物鏡傾斜時(shí)需保持顯微鏡機(jī)?不移動(dòng)。從物鏡到 光學(xué)平臺(tái)的?度 30厘?,滿?在體清醒動(dòng)物雙光?實(shí)驗(yàn); 5.帶有壓電陶瓷型?速物鏡Z軸掃描單元,Z軸步進(jìn)?程 400 微???膳浜?速XY掃描振鏡,實(shí)現(xiàn)?速三維Volume Scan; 6.進(jìn)顯微鏡光路之前,激光光路中需配有普克爾盒,可實(shí)現(xiàn)在690 - 1020nm范圍內(nèi)?速調(diào)節(jié)激光輸出功率的能?, 且可配合?速XY振鏡使?;光路中還需配有全擋光機(jī)械快?、以及功率計(jì)(實(shí)時(shí)檢測(cè)激光功率); 7. 激光器峰值功率: 425 kW at 800nm 56 kW at 690 nm 217 kW at 710 nm 217 kW at 920 nm 34 kW at 1040 nm 將要購(gòu)買(mǎi)的雙光子顯微成像系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 1. 使?共振(resonant)掃描系統(tǒng)具有更快的掃描速度(30幀/秒),這是傳統(tǒng)的振鏡(galvo)掃描系 統(tǒng)雙光?掃描顯微鏡掃描速度的8-10倍; 2. 更快地掃描速率使我們能?更短的間內(nèi)完成所需要的重復(fù)記錄,從?縮短單次記錄(a single recording section)的時(shí)間; 3. 配備更加靈敏的光電探測(cè)器 磷砷化鎵光電倍增管(Gallium arsenide phosphide (GaAsP) PMT), 與傳統(tǒng)的光電倍增管(PMT)相?,對(duì)光信號(hào)的敏感度和增益提?3-6倍,能?幅提?系統(tǒng)的信噪?, 更重要的是讓我們能夠?qū)庑盘?hào)更弱的結(jié)構(gòu)進(jìn)??速成像,?如更深的?腦?層(Layer 4, Layer 5 和 Layer 6)和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)(樹(shù)突突起和軸突的末端); 4. 配備的激光發(fā)?器系統(tǒng)具有更窄脈沖寬度( 70 fs)的和?散補(bǔ)償系統(tǒng),這將?幅增強(qiáng)雙光?的激發(fā) 效率(excitation efficiency)。在?時(shí)間(2?時(shí))的在體成像過(guò)程中,為了避免?強(qiáng)度激光造成的組織 損傷,?于成像的激光強(qiáng)度必須控制在較低的?平(20-40毫?); 5. 成像物鏡可在三維平?內(nèi)做任意?度的傾斜,這使我們可以在保持動(dòng)物頭部固定向上的姿勢(shì)的同時(shí), 對(duì)不在?平?上的腦區(qū)成像。這對(duì)清醒動(dòng)物的研究很重要,因?yàn)樽寗?dòng)物保持相對(duì)正常的姿勢(shì),對(duì)于探索 正常的?為學(xué)習(xí),有很?的影響
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