超快激光器為生物成像領(lǐng)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(shí)驗(yàn)室中觀測到了細(xì)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(jīng)歷了3個(gè)多世紀(jì)，從生物切片顯微觀測為開端，人類對(duì)于微觀生物的研究從未停止。 上世紀(jì)90年末開始，隨著飛秒激光技術(shù)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(xù)為人類生物微觀世界的研究貢獻(xiàn)出自己的力量，其中能夠探測活體神經(jīng)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(fā)熒光這個(gè)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(zhuǎn)化成實(shí)驗(yàn)室的可觀測現(xiàn)象進(jìn)行證實(shí)時(shí)，已經(jīng)是1960年激光誕生之后的事情了。 ? 在雙光子顯微鏡出現(xiàn)之前，主流的觀測應(yīng)用是共聚焦顯微鏡，它的主要原理是采用點(diǎn)光源照射標(biāo)本，在焦平面上形成一個(gè)輪廓分明的小的光點(diǎn)，該點(diǎn)被照射后發(fā)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(gòu)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(jìn)行單光子熒光。優(yōu)點(diǎn)是觀測速度快，缺點(diǎn)是觀察深度淺、清晰度差。 ? 而雙光子顯微鏡，是通過瞬間對(duì)熒光蛋白射入高密度光子，熒光分子可以同時(shí)吸收 2 個(gè)光子，并產(chǎn)生類似倍頻效應(yīng)的特性，實(shí)現(xiàn)在觀測深度和呈像清晰度上質(zhì)的突破。 ? 共聚焦顯微鏡與雙光子顯微鏡的觀測深度對(duì)比 ? 02.與激光的有機(jī)結(jié)合 雙光子熒光顯微鏡是共聚焦顯微鏡與飛秒激光結(jié)合的產(chǎn)物。它利用飛秒激光器照射，在樣本的表面或內(nèi)部聚焦，發(fā)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(fā)生雙光子激發(fā)，并發(fā)生熒光信號(hào)。 ? 當(dāng)然，不同物質(zhì)的雙光子激發(fā)光譜也不同，這直接影響了熒光蛋白對(duì)不同波長激發(fā)光的吸收效率。類比地，如果一種熒光蛋白對(duì)于一種飛秒激光所在波段的雙光子吸收效率過低，也會(huì)難以被激發(fā)，從而難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的雙光子熒光成像效果。反之，激光器所在波長對(duì)其激發(fā)效率越高，則成像效果越好，主要體現(xiàn)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(duì)光譜的吸收率也有所不同 ? 雙光子激發(fā)熒光顯微成像對(duì)EGFP-2P熒光蛋白的效果對(duì)比A．920nm波段B．780nm波段 從上圖中可以看出，對(duì)不同波段均有反應(yīng)的熒光蛋白，在吸收率較高的波段成像效果更加優(yōu)秀。03.實(shí)現(xiàn)途徑為實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用，中山銦尼鐳斯科技有限公司于2012年開始，進(jìn)行了飛秒激光光源的研發(fā)。經(jīng)過了長達(dá)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(chǎn)品說明： 該激光器基于光纖式種子源與放大級(jí)，能夠穩(wěn)定輸出中心波長為930 nm ± 5 nm的飛秒 (fs) 級(jí)激光脈沖序列，平均功率 > 1 W，脈沖寬度 < 350 fs，重復(fù)頻率40 - 80 MHz（可定制），M2 ≤ 1.3。特別適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的雙光子成像應(yīng)用。 ?

激光太赫茲技術(shù)的應(yīng)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(lǐng)域應(yīng)用——太赫茲光譜儀的工作原理： 將太赫茲光源對(duì)樣本物體進(jìn)行掃描，所有的材料會(huì)對(duì)特定的波長進(jìn)行吸收，其余的會(huì)反射或者透射，就如同人眼會(huì)看到各種顏色一樣，當(dāng)太赫茲脈沖照射樣本時(shí)，不同材料的樣本對(duì)太赫茲波的吸收與反射不同，所以可以根據(jù)不同的吸收或者反射圖譜區(qū)分無法用肉眼識(shí)別的同分異構(gòu)體材料。每一個(gè)材料對(duì)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(gè)光譜被稱之為材料特有的【指紋譜】 太赫茲激發(fā)源 目前能夠激發(fā)太赫茲波并完成光譜檢測的有兩種激發(fā)源——微波太赫茲和激光太赫茲 微波太赫茲激發(fā)源的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：由于產(chǎn)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(duì)樣本進(jìn)行檢測時(shí)可以更清晰的看到結(jié)果，不會(huì)被底噪干擾，在面對(duì)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(hào)反饋并實(shí)際觀測到響應(yīng)結(jié)果 缺點(diǎn)：由于微波能夠輸出的譜寬較窄，對(duì)于對(duì)象的可觀測范圍就比較小，只可以對(duì)單一材料進(jìn)行識(shí)別反應(yīng)，如果被檢測樣本對(duì)該波段無特異反映，當(dāng)被檢體在窄帶檢測波范圍內(nèi)吸收反射率差異趨近于零而其他波段會(huì)有較大差異時(shí)，通過微波激發(fā)的太赫茲檢測圖形會(huì)出現(xiàn)波型完全一致，無法通過圖譜發(fā)現(xiàn)差異的結(jié)果。 激光太赫茲激發(fā)源的優(yōu)缺點(diǎn)： 激光激發(fā)太赫茲光源能夠輸出一個(gè)比較寬的光譜范圍，能夠在更大范圍內(nèi)更準(zhǔn)確的對(duì)被掃體的【指紋譜】進(jìn)行識(shí)別，分辨率更高，更準(zhǔn)確，泛用性更強(qiáng)，能夠清晰的識(shí)別多種不同材料的【指紋譜】并可以進(jìn)行橫向?qū)Ρ取? 缺點(diǎn)也很明顯，由于需要兼顧多波段同時(shí)輸出，激光太赫茲激發(fā)源并不能夠達(dá)到微波最大等級(jí)的輸出功率，這導(dǎo)致在檢測過程中，激光太赫茲波在對(duì)某一種材料對(duì)特定波長吸收率較高的情況下，回饋的光信號(hào)可能會(huì)被淹沒在底噪當(dāng)中難以被識(shí)別。 P.s：激光激發(fā)太赫茲波段與微波波段并不是一個(gè)頻段，在應(yīng)用領(lǐng)域中也各有不同，激光激發(fā)的太赫茲波無法完全實(shí)現(xiàn)對(duì)微波電子激發(fā)太赫茲波的替換。 實(shí)際使用激光太赫茲的實(shí)驗(yàn)記錄： 根據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室于2020年4月發(fā)布的【基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的黃酮類化合物研究】文章中提到的太赫茲光譜儀相關(guān)實(shí)驗(yàn)： 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(shí)驗(yàn)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(zhì)具有相似的分子結(jié)構(gòu)，但每種物質(zhì)在太赫茲波段都有明顯不同的特征吸收峰，體現(xiàn)了太赫茲對(duì)生物分子的指紋譜特性。因此，可以通過太赫茲吸收譜對(duì)黃酮類物質(zhì)進(jìn)行種類鑒別。定性鑒別 ? ? 銦尼鐳斯的太赫茲激發(fā)源 針對(duì)于檢測物品的【指紋普】這一應(yīng)用，銦尼鐳斯基于Er-100Hi激光器，結(jié)合異步鎖定系統(tǒng)，配合太赫茲天線，組成了實(shí)驗(yàn)室中的激光器太赫茲檢測系統(tǒng)。 光源主體FDEr-100 異步鎖定拍頻部分Er -100Hi FDEr-100技術(shù)指標(biāo)： 序號(hào) 參數(shù) 單位 技術(shù)指標(biāo) 1 中心波長 nm 1560/780±20 2 重復(fù)頻率 MHz 100±0.1 3 重復(fù)頻率可調(diào)范圍 -- PZT精準(zhǔn)100MHz附近調(diào)試手動(dòng)100MHz附近調(diào)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(shù)指標(biāo) 序號(hào) 參數(shù) 單位 技術(shù)指標(biāo) 1 中心波長 nm 1560±20 2 重復(fù)頻率 MHz 100±0.1 3 重復(fù)頻率可調(diào)范圍 -- PZT精準(zhǔn)100MHz附近調(diào)試手動(dòng)100MHz附近調(diào)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(biāo)： 序號(hào) 項(xiàng)目 單位 技術(shù)指標(biāo) 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(fēng)冷 目前，我司已經(jīng)與首都師范大學(xué)張村林教授團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)，搭建太赫茲光譜儀檢測系統(tǒng)。隨著工程化的一步步深入，我們相信在不久的將來，該系統(tǒng)會(huì)在藥品，食品成分檢測中發(fā)揮重要作用。

超短脈沖激光技術(shù)的歷史與現(xiàn)狀

在激光中,超短脈沖光的產(chǎn)生之所以重要是因?yàn)榭梢酝ㄟ^控制激光的相干光波產(chǎn)生脈沖光,其時(shí)間寬度超出電子學(xué)所控制的范疇。從廣義上講,超短脈沖光是指小于1ns的脈沖光。