Система Фотон-А

Микропроцессорная система пожарной сигнализации Фотон-А, используемая на судах различного назначения. Она имеет свободную комплектацию, число блоков зависит от поставленной задачи и разветвлённости системы сигнализации.

Локальная микропроцессорная система предназначена для сигнализации о пожаре на морском/речном судне. Применение адресных извещателей позволяет определять место задымления, повышения температуры или пожара и выводить информацию на наглядную мнемосхему. При включении «Фотон А» производит самодиагностику и проверяет готовность системы к работе. Вся информация выводится на индикаторы, обрабатывается компьютером.

Устройство и работа

«Фотон А» состоит из основного блока управления, источников сетевого и резервного питания, адресных тепловых/дымовых/пламени/ручных извещателей, блоков согласования, отображения информации, связи RS485 и приспособлений, облегчающих монтаж и проверку. Краткое описание элементов системы расположено ниже.

Составные части системы Фотон-А

ПУ-А1 – блок основного управления, который:

• принимает информацию от ППКП-А, ППКП-АВ (приёмо-контрольные блоки, «АВ» – взрывозащищённое исполнение),
• обрабатывает её, передаёт на внешние порты, ПК, средства отображения, принтер,
• производит связь между блоками,
• отображает информацию о пожаре на ЖК табло,
• опрашивает приборы системы,
• сообщает об исправности шлейфов связи, при повреждении указывает причину и участок неисправности линии,
• при подключённом принтере распечатывает всю информацию о случаях пожаров и неисправностей системы с указанием даты и времени,
• проверяет источники сетевого и бесперебойного питания,
• отображает мнемосхему объекта со всеми событиями,
• сохраняет в строенной памяти все события (максимально 4096 записей).

Основное устройство питается от АПС-А и допускает подключение к нему адресных извещателей (максимум 8 шлейфов), при их срабатывании ПУ-А1 вырабатывает релейный выходной сигнал.

ППКП-А – прибор приёмо-контрольный.

ППКП-АВ – по функциональному назначению является взрывозащищённым аналогом ППКП-А, но со шлейфом для подключения защищённых извещателей. В то же время он не имеет реле по пожару в шлейфе и не отображает состояние блока АПС-А.

Мнемосхема – это устройство, которое отображает местоположение сработавших по пожару устройств системы. В зависимости от особенностей судна эта схема разрабатывается индивидуально, учитывая его особенности и расположение извещателей.

ДВП-А – дублирует информацию от ПУ-А1.

АПС-А – это ИП 24 В постоянного тока, который работает от сети 220 В, 50 Гц и питает блоки, имеющие аналогичное питающее напряжение (ПУ-А1, ДВП-А, ППКП и другие).

БРП – АКБ, используемая в случае отсутствия сетевого питания. Блок имеет шлейф связи с АПС-А и ПУ-А1 для передачи информации о своём текущем состоянии.

ПСА – это блок звуковой сигнализации, который срабатывает при неработоспособности блоков питания (как основного, так и резервного).

БРВУ-1 имеет в своём составе мощное реле, управляемое маломощным реле блоков ППКП-А, ПУ-А1.

Р485 – обеспечивает устойчивый обмен данными между устройствами по линии RS485 на расстояние до 1000 м.

БС-АМ, БС-АМВ – блоки сопряжения, необходимые для создания системы эффективного контроля и определения неисправностей линий связи.

ИПД-А, ИПД-АВ – дымовой извещатель точечного типа, размещённый в пластиковом корпусе.

ИПТ-1А, ИПТ-1АВ – тепловой извещатель адресного типа в пластиковом корпусе.

ИПТ-АМ, ИПТ-АМВ – аналог ИПТ-1А, ИПТ-1АВ, выпускаемый в металлическом корпусе.

ИПД-АМ, ИПД-АМВ – аналог ИПД-А, ИПД-АВ в металлическом корпусе.

ИПП-АМ, ИПП-АМВ – взрывозащищённый адресный извещатель пламени в металлическом корпусе.

ИПР-АМ – извещатель ручной в металлическом корпусе.

ИПР-АМВ – аналог ИПР-АМ, но во взрывозащищённом исполнении.

ИКЗ-М, ИКЗ-МВ – изоляторы короткозамкнутых линий, используются для отключения неисправных линий.

ППРИ – приспособление для проверки извещателей, методом имитации ситуации (пожара, задымленности).

Приспособление для монтажа извещателей (их съема и установки) используется для облегчения работы с извещателями. находящимися на высоте 2÷4 м над землёй.

Система «Фотон-А» при условии подключения шлейфов через устройства согласования (БС) работает с пожарными извещателями и датчиками любого типоисполнения.

Система Фотон-А

Система «Фотон-А» предназначена для адресного автоматического обнаружения пожара по факторам дым, пламя, температура с одновременным включением средств пожарной автоматики и внешней сигнализации.

Система предназначена для для установки на судах морского и речного флота, поднадзорных Регистру судоходства Украины и Российскому Морскому Регистру судоходства.

Эксплуатация

Система «Фотон-А» предназначена для эксплуатации в морских условиях и по устойчивости к механическим и климатическим факторам, и электромагнитной совместимости удовлетворяет требованиям «Правил классификации и постройки морских судов» Российского Морского Регистра судоходства части VI, XI, XV. Системы изготавливаются и испытываются под наблюдением Регистра в соответствии с «Правилами технического наблюдения за постройкой судов и изготовлением материалов и изделий для судов» — том 2, часть IV.

Система может эксплуатироваться при температуре воздуха от минус 10 до плюс 50 °С, максимальной относительной влажности 80% при 40 °С и 95% при 25 °С. Система работоспособна при воздействии вибрационных нагрузок в диапазоне частот от 2 до 80 Гц, при воздействии ударов частотой 40-80 ударов в минуту с ускорением 5 g.

Конструкция системы «Фотон-А»

Система представляет собой набор различных типов адресных и безадресных приборов и извещателей, из которых можно комплектовать микропроцессорную информационно-управляющую систему различной конфигурации и объема в зависимости от типа и назначения охраняемого объекта.

Габаритные размеры и массы составных частей системы приведены в таблице.

Габаритные размеры

Наименование составной части	Габаритные размеры, мм	Масса, кг
	допустимое отклонение ± 10 мм	допустимое отклонение ± 5%
Прибор ПУ-А1	310 х 250 х 148	4
Прибор ППКП-А	125 х 140 х 58	0,34
Прибор ППКП-АВ	200 х 135 х 101	1,2
Мнемосхема	***	***
Прибор ДВП-А	310 х 250 х 148	3,5
Прибор АПС-А	310 х 250 х 148	4
Блок БРП	310 х 190 х 160	11*
Прибор ПСА	200 х 135 х 101	0,5
Блок БРВУ-1	230 х 210 х 108	2,7
Репитер Р485	125 х 138 х 58	0,26
Блоки БС-АМ, БС-АМВ	160 х 130 х 64	0,75
Извещатели ИПТ-1А, ИПТ-1АВ	100 х 34	0,064
Извещатели ИПТ-АМ, ИПТ-АМВ	160 х 106 х 79	0,71
Извещатели ИПД-А, ИПД-АВ	100 х 40	0,09
Извещатели ИПД-АМ, ИПД-АМВ	160 х 106 х 100	0,81
Извещатели ИПП-АМ, ИПП-АМВ	160 х 106 х 69	0,79
Извещатель ИПР-АМ	123 х 105 х 52	0,9
Извещатель ИПР-АМВ	123 х 105 х 52	0,95
Изоляторы ИКЗ-М, ИКЗ-МВ	160 х 106 х 64	0,76
Розетка КПСМ. 301319.003	100 х 13	0,042
Корпус ФРДИ.301461.001	120 х 105 х 35	0,124
Приспособление ППРИ: имитатор штанга	165 30 х 4000**	8
Приспособление для съема и установки извещателей	165 х 4000**	10

Фотонов — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Фотон — это крошечная частица, состоящая из волн электромагнитного излучения. Как показал Максвелл, фотоны — это просто электрические поля, путешествующие в пространстве. Фотоны не имеют заряда, массы покоя и движутся со скоростью света. Фотоны испускаются под действием заряженных частиц, хотя они могут испускаться и другими способами, включая радиоактивный распад. Поскольку это очень маленькие частицы, вклад волновых характеристик в поведение фотонов значителен. На диаграммах отдельные фотоны представлены волнистой стрелкой.

Описание

Фотоны часто называют энергетическими пакетами. Это очень подходящая аналогия, поскольку фотон содержит энергию, которую нельзя разделить. Эта энергия запасается в виде колеблющегося электрического поля. Эти поля могут колебаться почти на любой частоте. Хотя они никогда не наблюдались, самая длинная теоретическая длина волны света равна размеру Вселенной, а некоторые теории предсказывают наименьшую возможную длину Планка. Эти пакеты энергии могут передаваться на огромные расстояния без потери энергии или скорости. Фотоны движутся со скоростью света, 2,997×10 ⁸ м/с в пустом пространстве. Скорость фотона в пространстве может быть напрямую выведена из скорости электрического поля в свободном пространстве. Максвелл представил это доказательство в 1864 году. Хотя у фотонов нет массы, у них есть наблюдаемый импульс, который следует уравнению де Бройля. Импульс фотонов приводит к интересным практическим приложениям, таким как оптический пинцет.

Вообще говоря, фотоны имеют свойства, подобные электромагнитным волнам. Каждый фотон имеет длину волны и частоту. Длина волны определяется как расстояние между двумя пиками электрического поля с одним и тем же вектором. Частота фотона определяется тем, сколько длин волн фотон распространяется каждую секунду.

В отличие от электромагнитной волны фотон не может быть определенного цвета. Вместо этого фотон будет соответствовать свету данного цвета. Поскольку цвет определяется возможностями человеческого глаза, отдельный фотон не может иметь цвет, потому что он не может быть обнаружен человеческим глазом. Чтобы сетчатка могла обнаружить и зарегистрировать свет данного цвета, на нее должны воздействовать несколько фотонов. Только когда множество фотонов действуют на сетчатку в унисон, как электромагнитная волна, можно воспринимать цвет.

Как описано уравнениями Максвелла

Наиболее точное описание природы фотонов, которое у нас есть, дается уравнениями Максвелла. Уравнения Максвелла математически предсказывают, как фотоны движутся в пространстве. По существу, электрическое поле, подвергающееся потоку, создаст ортогональное магнитное поле. Затем поток магнитного поля воссоздает электрическое поле. Создание и уничтожение каждой соответствующей волны позволяет волновой паре двигаться в пространстве со скоростью света. Уравнения Максвелла правильно описывают природу отдельных фотонов в рамках квантовой динамики.

Создание фотонов

Фотоны можно создавать разными способами. В этом разделе мы обсудим некоторые способы испускания фотонов. Поскольку фотоны представляют собой электрическое поле, распространяющееся в пространстве, испускание фотонов требует движения заряженных частиц.

Излучение черного тела

Когда вещество нагревается, атомы внутри него вибрируют с более высокими энергиями. Эти колебания быстро изменяют форму и энергию электронных орбиталей. Когда энергия электронов изменяется, фотоны испускаются и поглощаются при энергиях, соответствующих энергии изменения. Излучение абсолютно черного тела — это то, что заставляет лампочки светиться, а тепло объекта ощущается на большом расстоянии. Упрощение объектов как черных тел позволяет косвенно вычислять температуру удаленных объектов. Этот принцип ежедневно используют астрономы и кухонные инфракрасные термометры.

Спонтанное излучение

Фотоны могут спонтанно испускаться, когда электроны переходят из возбужденного состояния в более низкое энергетическое состояние (обычно в основное состояние). Технический термин для этого падения энергии — расслабление. Электроны, подвергающиеся этому типу излучения, будут производить очень характерный набор фотонов в зависимости от доступных энергетических уровней их окружения. Этот набор возможных фотонов является основой спектра излучения.

Флуоресценция

Флуоресценция является частным случаем спонтанного излучения. При флуоресценции энергия излучаемого фотона не соответствует энергии, используемой для возбуждения электрона. Электрон будет флуоресцировать, когда он отдает значительное количество энергии своему окружению, прежде чем подвергнуться релаксации. Обычно флуоресценция используется в лабораторных условиях для визуализации присутствия молекул-мишеней. Ультрафиолетовый свет используется для возбуждения электронов, которые затем излучают свет с видимой длиной волны, видимой исследователям.

Стимулированное излучение

Можно искусственно заставить возбужденный электрон релаксировать в более низкое энергетическое состояние с помощью фотона, соответствующего разнице между этими энергетическими состояниями. Фаза электрического поля и ориентация результирующего фотона, а также его энергия и направление будут такими же, как у падающего фотона. Свет, создаваемый вынужденным излучением, называется когерентным, поскольку он во всех отношениях похож на вызвавший его фотон. Лазеры производят когерентное электромагнитное излучение путем вынужденного излучения.

Синхротроны (изгиб электронов)

Электроны с чрезвычайно высокой кинетической энергией, например, в ускорителях частиц, будут производить фотоны высокой энергии, когда их траектория изменяется. Это изменение осуществляется сильным магнитным полем. Таким образом будут излучать свет все свободные электроны, но синхротронное излучение имеет особое практическое значение. Синхротронное излучение в настоящее время является лучшей технологией, доступной для получения направленного рентгеновского излучения на точных частотах. Синхротроны, такие как усовершенствованный источник света (ALS) в лабораториях Лоуренса в Беркли и Стэнфордский источник синхротронного излучения (SSRL), являются очагами рентгеновской спектроскопии из-за превосходного качества получаемых рентгеновских лучей.

Ядерный распад

Некоторые типы радиоактивного распада могут включать выброс фотонов высокой энергии. Одним из таких типов распада является ядерная изомеризация. При изомеризации ядро ​​перестраивается в более стабильную конфигурацию и испускает гамма-лучи. Хотя это только теоретически, распад протона также будет испускать фотоны чрезвычайно высокой энергии.

Фотоэлектрический эффект

Свет, падающий на металлическую пластину, может вызвать отрыв электронов от поверхности пластины (рис. 1). Это взаимодействие между светом и электронами называется фотоэлектрическим эффектом. Фотоэлектрический эффект предоставил первое убедительное доказательство того, что лучи света состоят из квантованных частиц. Энергия, необходимая для выброса электрона с поверхности металла, обычно того же порядка, что и энергия ионизации. Поскольку металлы обычно имеют энергию ионизации в несколько электрон-вольт, фотоэлектрический эффект обычно наблюдается с использованием видимого света или света еще более высокой энергии.

Рис. 1 , Фотоэффект.

В то время, когда изучалось это явление, считалось, что свет распространяется волнами. Вопреки тому, что предсказывала волновая модель света, увеличение интенсивности света приводило к увеличению тока, а не к увеличению кинетической энергии испускаемого электрона. Позже Эйнштейн объяснил это различие, показав, что свет состоит из квантованных пакетов энергии, называемых фотонами. Его работа над фотоэлектрическим эффектом принесла ему Нобелевскую премию.

Фотоэлектрический эффект имеет множество практических применений, поскольку ток может генерироваться источником света. Как правило, фотоэлектрический эффект используется в переключателях, реагирующих на свет. Некоторыми примерами являются ночники и фотоумножители. Обычно ток настолько мал, что его необходимо усиливать, чтобы он был эффективным переключателем.

Энергия фотона

Энергия фотона — дискретная величина, определяемая его частотой. Этот результат может быть определен экспериментально путем изучения фотоэффекта. Кинетическая энергия испущенного электрона напрямую зависит от частоты падающего света. Если экспериментальные значения этих энергий подобрать к линии, наклон этой линии является постоянной Планка. Точка, в которой электроны начинают испускаться с поверхности, называется пороговой частотой и обозначается \(\nu_0\). Принцип сохранения энергии диктует, что вся энергия фотона должна куда-то уходить. Если предположить, что энергия \(h\nu_0\) является начальной энергией, необходимой для отрыва электрона от его орбитали, кинетическая энергия фотона равна кинетической энергии испущенного электрона плюс энергия ионизации. Поэтому энергия свободного фотона становится \(E = h\nu\), где nu — частота фотона, а h — постоянная Планка.

Рис. 2. Результаты фотоэлектрического эффекта

Результаты фотоэлектрического эксперимента показаны на рис. 2. \(\nu_0\) — минимальная частота, при которой начинают обнаруживаться электроны. Сплошные линии представляют фактические наблюдаемые кинетические энергии высвобождаемых электронов. Пунктирная красная линия показывает, как можно получить линейный результат, прослеживая обратно к оси y. Электроны не могут иметь отрицательную кинетическую энергию.

Интерференция фотонов

В то время как эксперимент с двумя щелями первоначально показал, что луч света является волной, более продвинутые эксперименты подтвердили, что электрон является частицей с волновыми свойствами. Наблюдается, что дифракция луча света через двойную щель дифрагирует, создавая конструктивную и деструктивную интерференцию. Современные технологии позволяют испускать и регистрировать одиночные фотоны. В эксперименте, проведенном Филиппом Гранжье, один фотон проходит через двойную щель. Затем фотон обнаруживается по другую сторону щелей. Для большого размера выборки можно определить тенденцию конечного положения фотонов. В волновой модели света будет наблюдаться интерференционная картина, поскольку фотон снова и снова расщепляется, создавая картину. Однако результаты не согласуются с волновой моделью света. Каждый излучаемый фотон соответствует одному обнаружению по другую сторону щелей (рис. 3). С определенной вероятностью каждый фотон регистрируется со 100% силой. В ходе серии измерений фотоны создают ту же интерференционную картину, что и пучок фотонов. Когда одна щель закрыта, интерференционная картина не наблюдается, и каждый фотон движется по линейному пути через открытую щель.

Рис. 3, Доказательство корпускулярной природы фотонов. Показан один из возможных результатов.

Эта интерференция имеет глубокое значение, заключающееся в том, что фотоны не обязательно взаимодействуют друг с другом для создания интерференционной картины. Вместо этого они сами взаимодействуют и мешают . Кроме того, это показывает, что электрон не проходит через одну или другую щель, а проходит через обе щели одновременно. Теория квантовой электродинамики Ричарда Фейнмана объясняет это явление, утверждая, что фотон будет путешествовать не по одному пути, а по всем возможным путям во Вселенной. Интерференция между этими путями даст вероятность того, что фотон выберет любой заданный путь, поскольку большинство путей сокращаются друг с другом. Он использовал эту теорию для объяснения природы широкого спектра действий фотонов, таких как отражение и преломление, с абсолютной точностью.

Ссылки

1. Feynman, RP (1988). QED: Странная теория света и материи , издательство Принстонского университета.
2. Эйнштейн, А. . «Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung». Physikalische Zeitschrift (10): 817-825 (1909).
3. Гранжье П., Роджер Г. и Аспект А., «Экспериментальные доказательства эффекта антикорреляции фотонов в светоделителе: новый взгляд на однофотонные интерференции», Europhys. лат. 1, 173-179(1986).
4. Дж. Дж. Торн, М. С. Нил, В. В. Донато, Г. С. Бергрин, Р. Э. Дэвис и М. Бек, «Наблюдение за квантовым поведением света в студенческой лаборатории», Am. Дж. Физ. 72, 1210-1219 (2004).
5. Максвелл, Джеймс (1865 г.). «Динамическая теория электромагнитного поля». Философские труды Лондонского королевского общества 155 : 459–512.

Проблемы

1) Пиковая длина волны лампочки составляет 500 нм. Вычислите энергию одиночного фотона на этой длине волны. 9{15}hz\)

3) Одиночный фотон проходит через двойную щель на расстоянии 20 нм друг от друга. Фотоумножитель обнаруживает по крайней мере одну частицу в 20 нм непосредственно за щелью. Какая доля фотона здесь регистрируется?

Решение

Обнаружен весь фотон. Протоны являются квантованными частицами. Хотя они могут пройти через обе щели, это все равно одна частица и будет соответственно обнаружена.

4) Фотон отрывает электрон от атома. Кинетическая энергия вылетающего электрона оказывается меньше энергии фотона, который его удалил. Почему энергия не одинаковая?

Решение

Вспомним фотоэлектрическое уравнение: \(KE = h\nu-h\nu_0\). Это уравнение связывает энергии фотонов и электронов при выбросе. Второй член уравнения, \(-h\nu_0\), представляет собой количество энергии, необходимое для удаления электрона с его орбиты. Дополнительная энергия идет на разрыв связи электрона с ядром. Имейте в виду, что для металла это не энергия ионизации из-за делокализации электронов, участвующих в металлической связи.

5) Помня о взаимосвязи между энергией и частотой света, спланируйте эксперимент, чтобы определить, теряют ли фотоны энергию при движении в пространстве.

Решение

Один из возможных экспериментов использует фотоэлектрический эффект. Источник света освещает кусок металла и рассчитывается кинетическая энергия выброшенных электронов. Направляя свет на разное расстояние от металлической пластины, можно показать, что отдельные фотоны проходят без потерь. Эксперимент покажет, что, хотя число испускаемых электронов может уменьшаться в зависимости от расстояния, их кинетическая энергия останется неизменной.

Авторы и ссылки

• Майкл Кеннеди

Photons распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0 и был создан, изменен и/или курирован LibreTexts.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Лицензия

   CC BY-NC-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   На этой странице нет тегов.

Многофотонная микроскопия | Природа Фотоника

Введение

Многофотонная микроскопия (МФМ) считается методом выбора для визуализации живых интактных биологических тканей в масштабе длины от молекулярного уровня до всего организма. Кроме того, многофотонная микроскопия уникально подходит для проведения экспериментальных измерений с минимальным вторжением в течение длительных периодов времени, тем самым обеспечивая мельчайшие детали изначально динамических биологических процессов, имеющих временные масштабы от микросекунд до дней или недель. В результате становится доступным огромное количество данных для дальнейшего углубления нашего понимания сложных биологических взаимодействий.

По сравнению с аналогичными методами оптической визуализации МФМ обладает неотъемлемыми преимуществами для визуализации живых тканей за счет улучшения проникновения в глубину и уменьшения фотоповреждений. Это прямой результат использования фемтосекундных лазеров ближнего инфракрасного диапазона (NIR) для генерации наблюдаемых нелинейных сигналов в видимом диапазоне. Возбуждение в ближнем ИК-диапазоне улучшает способность изображения глубже в образец за счет уменьшения светорассеяния, пропорционального четвертой степени длины волны возбуждения. Вкратце, многофотонное возбуждение (MPE) происходит, когда два (или более) фотона, суммарная энергия которых удовлетворяет энергии перехода, необходимой для перевода флуорофора из основного состояния в возбужденное, одновременно достигают образца, как показано на рис. 1a. Флуоресцентный сигнал может генерироваться экзогенными зондами (Hoechst, AlexaFluor488 и т. д.), нанесенными на ткань, или эндогенными молекулами (NAD(P)H или трансфицированные флуоресцентные белки), которые изначально экспрессируются. Кроме того, многофотонная визуализация чувствительна к генерации второй гармоники (ГВГ), когда два фотона мгновенно преобразуют свою энергию в один фотон с половинной длиной волны, как показано на рис. 1b. ГВГ не является процессом поглощения и излучения, как флуоресценция, которая устраняет флуорофор; однако для ГВГ требуются высокоупорядоченные молекулярные структуры с определенной симметрией. Наиболее распространенной биологической структурой, удовлетворяющей этим требованиям, является коллаген. Примеры изображений двухфотонной флуоресценции (ТФФ) и ГВГ представлены на рис. 2.9.0024 Рис. 1: Схема нелинейной генерации сигнала:

A) Диаграмма Яблонски, показывающая поглощение двух фотонов NIR для возбуждения флуоресцентной молекулы в возбужденное состояние и видимую флуоресценцию, испускаемую во время релаксации. Б) Диаграмма, иллюстрирующая одновременное преобразование двух фотонов БИК в один фотон видимого диапазона во время ГВГ.

Полноразмерное изображение

Рис. 2. Репрезентативные многофотонные изображения:

A) Двухфотонная флуоресценция DAPI (синий), AlexaFluor488 (зеленый) и AlexaFluor568 (красный) в почке мыши (Molecular Probes FluoCells#3). B) ГВГ-изображение коллагена в куриной коже. Оба изображения были получены с использованием многофотонного микроскопа Thorlabs и объектива Olympus 20X 1.0NA.

Изображение полного размера

Нелинейный процесс, управляющий генерацией сигнала, требует плотности мощности порядка МВт/см ² . Плотность мощности такой величины достигается только в фокальной плоскости объектива, ограничивая наблюдаемый сигнал плоскостью фокуса. Ограничение сигнала фокальной плоскостью, известное как оптическое сечение, значительно снижает общее фотоповреждение за счет устранения всех сигналов выше или ниже фокуса. Фемтосекундные лазеры имеют обязательно высокую пиковую мощность, необходимую для поддержания низкой средней мощности, что сводит к минимуму повреждение образца. Нелинейные процессы, необходимые для генерации TPE или SHG, пропорциональны квадрату интенсивности ( I ) лазера, как описано в уравнении 1:

При постоянной частоте повторения ( F _rep ) интенсивность можно увеличить за счет уменьшения ширины импульса (τ) или увеличения средней мощности ( P _{среднее} ). Таким образом, более короткие импульсы могут иметь преимущества при визуализации живых образцов.

Возможность генерировать изображения в разных масштабах, от молекулярного уровня до всего организма, требует возможности дополнить традиционное изображение «анфас» информацией о глубине для реконструкции полного трехмерного представления образца. Информация о глубине передается с высоким пространственным разрешением посредством оптического сечения, когда получаются последовательные изображения в одной фокальной плоскости путем настройки фокуса микроскопа дальше вглубь образца.

Эволюция многофотонной микроскопии

Для поддержки все более сложных экспериментов технология, используемая для сбора биологических данных, должна продолжать развиваться. Следовательно, многофотонный микроскоп Thorlabs был разработан с нуля, чтобы извлечь выгоду из технологических тенденций, используя технологию резонансного сканера для высокоскоростных возможностей визуализации и низкого фотоповреждения; путь обнаружения без десканирования с полным полем зрения с использованием высокочувствительных GaAsP фотоумножителей ФЭУ, расположенных непосредственно за линзой объектива; и специализированная сканирующая оптика ближнего инфракрасного диапазона (680–1400 нм), в которой в полной мере используются новейшие лазеры и источники оптических параметрических генераторов (OPO).

Долгосрочная жизнеспособность образца требует, чтобы система визуализации генерировала самые высокие сигналы при одновременном минимальном разрушении. Высокоскоростное сканирование импульсным лазерным источником имеет много естественных преимуществ в флуоресцентной микроскопии. При одноточечном сканировании изображения с частотой видеосигнала время задержки пикселя достаточно короткое, так что для генерации наблюдаемого оптического сигнала используется всего несколько (<10) импульсов от типичного Ti:Sapphire (частота повторения 80 МГц) лазера. Это позволяет возбуждать флуорофор почти до уровня насыщения, снижая при этом вероятность фотоповреждения за счет предоставления достаточного времени для полной релаксации флуорофора в основное состояние перед повторным возбуждением. Короткое время задержки пикселя соответствует меньшему количеству фотонов на пиксель, записываемых в изображение, что снижает отношение сигнал/шум (SNR). Это можно преодолеть с помощью линейного или кадрового усреднения, которое строит сигнал путем последовательного интегрирования.

Короткое время задержки пикселей требует высокоэффективной системы обнаружения. Детекторная оптика в мультифотонном микроскопе Thorlabs предназначена для сбора сигнала из полного поля зрения объектива независимо от размера поля сканирования. Таким образом, собирается сигнал, рассеянный образцом, но все еще «видимый» объективом, что улучшает общую интенсивность изображения. Это обеспечивает значительное повышение эффективности обнаружения сигнала при визуализации глубоко в образцах с высоким светорассеянием, особенно в сочетании с объективами с малой кратностью увеличения и высокой числовой апертурой (то есть 20X 1,0NA). Высокочувствительные GaAsP-ФЭУ с низким уровнем шума дополнительно улучшают общую эффективность пути обнаружения и общее отношение сигнал/шум изображения.

В экспериментах, где важно получать изображения на самых больших глубинах, специальная сканирующая оптика NIR в многофотонном микроскопе Thorlabs поддерживает самый широкий диапазон длин волн возбуждения. Многофотонная микроскопия улучшает проникновение на глубину за счет использования возбуждения в ближней инфракрасной области для уменьшения рассеяния; однако генерируемые сигналы все еще находятся в видимом диапазоне, что затрудняет их обнаружение из глубины образца. Последнее поколение сконструированных флуорофоров и флуоресцентных белков направлено на то, чтобы протолкнуть генерируемый сигнал дальше в красную область (> 600 нм). Для многих из этих флуорофоров требуются длины волн возбуждения, отличные от обеспечиваемых Ti:Sapphire лазером (680–1080 нм), и они доступны с технологией увеличения длины волны (> 1000 нм) (OPO). ¹ Расширение длины волны возбуждения в сторону NIR улучшает визуализацию SHG так же, как и TPF, генерируя сигналы на >600 нм вместо ~400 нм.

Новое поколение многофотонного возбуждения

В MPM принято исследовать образцы, помеченные несколькими флуоресцентными зондами. Стоимость фемтосекундных лазеров часто ограничивает систему многофотонной визуализации одним лазером. Визуализация образца с несколькими флуорофорами часто требует настройки лазера на компромиссную длину волны для одновременного возбуждения флуорофоров, хотя и менее эффективно. В качестве альтернативы, за счет скорости визуализации и фотоповреждения, лазер можно настроить на оптимальную длину волны возбуждения для каждого флуорофора и последовательно повторно сканировать весь образец. Чтобы уменьшить повреждающие эффекты повторного сканирования образца или возбуждения на компромиссной длине волны с более высокой мощностью, можно использовать лазер с более короткой шириной импульса и, следовательно, с более широкой полосой пропускания.

Thorlabs в партнерстве с IdestaQE представляет Octavius-2P, готовый к использованию лазер на 10fsTi:Sapphire, разработанный для многофотонных приложений. Лазер с частотой 10 фс имеет высокую пиковую мощность, необходимую для визуализации глубоких тканей ² , с более низкой средней мощностью (см. уравнение 1), чтобы свести к минимуму фотоповреждение. Широкая полоса пропускания лазерного импульса длительностью 10 фс (рис. 3а) идеально подходит для одновременного возбуждения нескольких флуорофоров с хорошо разнесенными спектрами возбуждения. ² Суммарная генерация сигнала флуоресценции пропорциональна перекрытию спектра двухфотонного возбуждения флуорофора и спектра двухфотонного возбуждения широкополосного лазера. Таким образом, широкополосные лазерные импульсы увеличивают сигнал, генерируемый флуорофорами, без необходимости точной настройки лазера на пик возбуждения. Следует также отметить, что два фотона, необходимые для генерации нелинейного сигнала, не обязательно должны иметь одинаковую длину волны, что позволяет всему спектру лазерного импульса вносить свой вклад в возбуждение флуорофора.

Рис. 3: Широкополосное двухфотонное возбуждение:

A) Лазерный спектр Октавиус-2П. Полный спектр излучается одним импульсом длительностью 10 фс. Б) Спектры двухфотонного возбуждения AlexaFluor350 и AlexaFluor568. C) Двухфотонное флуоресцентное изображение кишечника мыши (Molecular Probes FluoCells #4), помеченного AlexaFluor 350 (красный) и AlexaFluor568 (зеленый), с использованием многофотонного микроскопа Thorlabs и Octavius-2P.

Изображение в натуральную величину

Уменьшение ширины импульса лазерного импульса приводит к повышенной восприимчивости к временному расширению импульса из-за дисперсии, что требует конструкции микроскопа с минимальными дисперсионными характеристиками и предварительной компенсацией. ⁴ Как указывалось ранее, выделенный тракт возбуждения в БИК-диапазоне был разработан с учетом минимальной дисперсии. Кроме того, к многофотонному микроскопу Thorlabs можно добавить дополнительный модуль компенсации дисперсии (DCOMP-BCU), основанный на технологии чирпированных зеркал (многослойные диэлектрические покрытия). Чирпированные зеркала компенсируют дисперсию на основе точной спецификации многослойного покрытия и фиксированного числа отражений. Компенсация дисперсии от чирпированных зеркал согласована с микроскопом и не требует настройки.