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。 ? 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光譜的吸收率也有所不同 ? 雙光子激發(fā)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(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，能夠穩(wěn)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(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： 將太赫茲光源對樣本物體進(jìn)行掃描，所有的材料會(huì)對特定的波長進(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)分無法用肉眼識別的同分異構(gòu)體材料。每一個(gè)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(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(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，對于對象的可觀測范圍就比較小，只可以對單一材料進(jìn)行識別反應(yīng)，如果被檢測樣本對該波段無特異反映，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)確的對被掃體的【指紋譜】進(jìn)行識別，分辨率更高，更準(zhǔn)確，泛用性更強(qiáng)，能夠清晰的識別多種不同材料的【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)到微波最大等級的輸出功率，這導(dǎo)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(huì)被淹沒在底噪當(dāng)中難以被識別。 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(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 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 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 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。