超快激光器為生物成像領域提供新的可能

多光子生物成像解決方案 - 自1663年，羅伯特.胡克在實驗室中觀測到了細胞壁，并命名為【cellua】開始，人類微觀生物世界的大門就此打開。自那之后經歷了3個多世紀，從生物切片顯微觀測為開端，人類對于微觀生物的研究從未停止。 上世紀90年末開始，隨著飛秒激光技術的提出，到如今的走向成熟，更加尖端且成熟的生物觀測儀器繼續為人類生物微觀世界的研究貢獻出自己的力量，其中能夠探測活體神經元的，便是我們接下來的主角——【雙光子熒光顯微鏡】 01.什么是雙光子熒光顯微鏡 雙光子激發熒光這個理論是1931年由瑪麗亞·格佩特-梅耶在她的博士論文中闡述了原子的雙光子吸收的可能性，但是將她的理論研究轉化成實驗室的可觀測現象進行證實時，已經是1960年激光誕生之后的事情了。 ? 在雙光子顯微鏡出現之前，主流的觀測應用是共聚焦顯微鏡，它的主要原理是采用點光源照射標本，在焦平面上形成一個輪廓分明的小的光點，該點被照射后發出的熒光被物鏡收集，并沿原照射光路反射到由雙向色鏡構成的分光器。分光器將熒光直接反射至探測器。屬于通過聚焦光來進行單光子熒光。優點是觀測速度快，缺點是觀察深度淺、清晰度差。 ? 而雙光子顯微鏡，是通過瞬間對熒光蛋白射入高密度光子，熒光分子可以同時吸收 2 個光子，并產生類似倍頻效應的特性，實現在觀測深度和呈像清晰度上質的突破。 ? 共聚焦顯微鏡與雙光子顯微鏡的觀測深度對比 ? 02.與激光的有機結合 雙光子熒光顯微鏡是共聚焦顯微鏡與飛秒激光結合的產物。它利用飛秒激光器照射，在樣本的表面或內部聚焦，發揮飛秒脈沖激光器由于脈寬窄、峰值功率高的特性, 使熒光蛋白發生雙光子激發，并發生熒光信號。 ? 當然，不同物質的雙光子激發光譜也不同，這直接影響了熒光蛋白對不同波長激發光的吸收效率。類比地，如果一種熒光蛋白對于一種飛秒激光所在波段的雙光子吸收效率過低，也會難以被激發，從而難以實現優質的雙光子熒光成像效果。反之，激光器所在波長對其激發效率越高，則成像效果越好，主要體現在清晰度等方面，這樣才能讓研究人員更加直觀的觀測和還原樣品的形貌。 ? 不同熒光蛋白材料對光譜的吸收率也有所不同 ? 雙光子激發熒光顯微成像對EGFP-2P熒光蛋白的效果對比A．920nm波段B．780nm波段 從上圖中可以看出，對不同波段均有反應的熒光蛋白，在吸收率較高的波段成像效果更加優秀。03.實現途徑為實現這種應用，中山銦尼鐳斯科技有限公司于2012年開始，進行了飛秒激光光源的研發。經過了長達10年的積累，完成了該波段激光器的全部工程化工作。 Nd-930 ? 產品說明： 該激光器基于光纖式種子源與放大級，能夠穩定輸出中心波長為930 nm ± 5 nm的飛秒 (fs) 級激光脈沖序列，平均功率 > 1 W，脈沖寬度 < 350 fs，重復頻率40 - 80 MHz（可定制），M2 ≤ 1.3。特別適用于生物醫學領域的雙光子成像應用。 ?

激光太赫茲技術的應用

什么是太赫茲 太赫茲波（簡稱太赫茲，THz）是指頻率在0.1 THz到10 THz范圍的電磁波，波長大概在0.03 mm至3 mm之間。介于紅外和微波之間。 太赫茲間隙 檢測領域應用——太赫茲光譜儀的工作原理： 將太赫茲光源對樣本物體進行掃描，所有的材料會對特定的波長進行吸收，其余的會反射或者透射，就如同人眼會看到各種顏色一樣，當太赫茲脈沖照射樣本時，不同材料的樣本對太赫茲波的吸收與反射不同，所以可以根據不同的吸收或者反射圖譜區分無法用肉眼識別的同分異構體材料。每一個材料對不同波段光波的吸收反射率均有不同，形成特定的不同光譜圖，這個光譜被稱之為材料特有的【指紋譜】 太赫茲激發源 目前能夠激發太赫茲波并完成光譜檢測的有兩種激發源——微波太赫茲和激光太赫茲 微波太赫茲激發源的優缺點： 優點：由于產生微波的為電子器件，能夠在單一或者窄帶情況下輸出更大的功率，高信噪比的太赫茲源在對樣本進行檢測時可以更清晰的看到結果，不會被底噪干擾，在面對某些單一波長或者窄帶波吸收率超過80%甚至90%的情況下，提高輸出功率也可以得到信號反饋并實際觀測到響應結果 缺點：由于微波能夠輸出的譜寬較窄，對于對象的可觀測范圍就比較小，只可以對單一材料進行識別反應，如果被檢測樣本對該波段無特異反映，當被檢體在窄帶檢測波范圍內吸收反射率差異趨近于零而其他波段會有較大差異時，通過微波激發的太赫茲檢測圖形會出現波型完全一致，無法通過圖譜發現差異的結果。 激光太赫茲激發源的優缺點： 激光激發太赫茲光源能夠輸出一個比較寬的光譜范圍，能夠在更大范圍內更準確的對被掃體的【指紋譜】進行識別，分辨率更高，更準確，泛用性更強，能夠清晰的識別多種不同材料的【指紋譜】并可以進行橫向對比。 缺點也很明顯，由于需要兼顧多波段同時輸出，激光太赫茲激發源并不能夠達到微波最大等級的輸出功率，這導致在檢測過程中，激光太赫茲波在對某一種材料對特定波長吸收率較高的情況下，回饋的光信號可能會被淹沒在底噪當中難以被識別。 P.s：激光激發太赫茲波段與微波波段并不是一個頻段，在應用領域中也各有不同，激光激發的太赫茲波無法完全實現對微波電子激發太赫茲波的替換。 實際使用激光太赫茲的實驗記錄： 根據中國科學技術大學國家同步輻射實驗室于2020年4月發布的【基于太赫茲時域光譜技術的黃酮類化合物研究】文章中提到的太赫茲光譜儀相關實驗： 上面8張圖譜是8種常見的黃酮類化合物；黃芩素，槲皮素，柚皮素，大豆素，黃芩苷，葛根素，染料木素和天麻素。樣品純度均大于99%,并購買于同一批次。實驗樣品制備采用粉末壓片法，濃度為66.7%，厚度為1mm的薄片。 從圖中可以看出,雖然這些黃酮類物質具有相似的分子結構，但每種物質在太赫茲波段都有明顯不同的特征吸收峰，體現了太赫茲對生物分子的指紋譜特性。因此，可以通過太赫茲吸收譜對黃酮類物質進行種類鑒別。定性鑒別 ? ? 銦尼鐳斯的太赫茲激發源 針對于檢測物品的【指紋普】這一應用，銦尼鐳斯基于Er-100Hi激光器，結合異步鎖定系統，配合太赫茲天線，組成了實驗室中的激光器太赫茲檢測系統。 光源主體FDEr-100 異步鎖定拍頻部分Er -100Hi FDEr-100技術指標： 序號 參數 單位 技術指標 1 中心波長 nm 1560/780±20 2 重復頻率 MHz 100±0.1 3 重復頻率可調范圍 -- PZT精準100MHz附近調試手動100MHz附近調試 4 脈沖寬度780nm fs ≤100fs@780nm≤90fs@1560nm 5 輸出功率 mW ≥100@780≥400@1560 6 輸出方式 —— 空間光 Er -100Hi技術指標 序號 參數 單位 技術指標 1 中心波長 nm 1560±20 2 重復頻率 MHz 100±0.1 3 重復頻率可調范圍 -- PZT精準100MHz附近調試手動100MHz附近調試 4 脈沖寬度780nm fs ≤100 5 輸出功率 mW ≥200 6 輸出方式 —— 空間光 / 光纖耦合 性能安裝指標： 序號 項目 單位 技術指標 1 工作溫度 °C 22±4 2 工作濕度 % ≤55 3 電氣連接 AC V 220 ? 最大功率 W ? ? 冷卻方式 —— 風冷 目前，我司已經與首都師范大學張村林教授團隊合作開發，搭建太赫茲光譜儀檢測系統。隨著工程化的一步步深入，我們相信在不久的將來，該系統會在藥品，食品成分檢測中發揮重要作用。

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