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如何选对光纤记录实验的耗材配件,达到最大效率的信号传输?

2021.12.10

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Hello everybody,上次的光遗传耗材选购小贴士文章得到了大家广泛的认可与支持!1.png

本着做事就要细致的原则,说了光遗传怎么会少了光纤记录呢?

本文来袭,一文让你看懂光纤记录实验如何选择合适的耗材配件!

首先我们看一下光纤记录的原理,光纤记录通过时间相关单光子计数(TCSPC)的光纤光学来测量荧光分子在大脑中发出的光信号。基于基本原理,使用直径较小的光纤探头就能实现传输并收集荧光信号。()

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▲光纤记录工作原理

光纤记录系统是目前常用的神经元群体荧光信号检测工具,其特点是能通过光学技术记录特异性神经元在特定行为范式中的活性变化,实验多数通过给动物注射携带荧光蛋白的探针,例如GCaMP、RCaMP、jrGECO1a、DA1h等,同时在注射部位埋置200-400μm的光纤陶瓷插芯,用于传送激发光和收集发射光。激发光经过光纤跳线和动物头部陶瓷插芯后到达特定脑区,激发荧光蛋白的荧光,被激发的荧光信号的强度可以被植入动物脑内的光纤末端收集,收集到的荧光经传感器转换为电信号,随后经数据采集卡被传送至记录系统,以达到实时观察所研究脑区一群神经细胞信号活动的目的。

而光纤记录的发展历史从之前最常用的PMT探测器,再到CCD相机,到现在最流行的CMOS相机,整体的检测通道数,检测速度因为探测器的更新得到了更大的提升。同时内部光路从激光再到现在最常用的LED光源,激发光功率逐渐降低,从而避免了光漂白效应的产生,实现长时程记录。

从以上内容我们可以得知,光纤记录通过同一根光纤和陶瓷插针即可实现传输激发光和收集荧光信号,同时激发光的功率较低(微瓦级别),如何选择合适的配件耗材才能达到最大效率的信号传输呢?

敲黑板,重点来了(搬起小板凳认真听)

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1.耗材芯径,数值孔径(NA)怎么选择?

光纤,陶瓷插针需要选择相同的芯径及数值孔径,同样参数规格下,可以避免传输光的损耗。若整体连接中耗材参数不一致,例如插针的芯径大于光纤芯径,就会导致激发光的传输不受影响而发射光的收集大大损耗。


2.光遗传实验的陶瓷插针可以用于光纤记录吗?

二者可以通用。陶瓷插针的自发荧光很低,对于光纤记录实验没有影响。但是光纤记录更推荐黑色款陶瓷插针和黑色陶瓷套管,可以更好避免环境光的干扰。

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▲黑色款陶瓷插针


3.光纤的材质是否有特殊要求?

光纤根据原料不同,自发荧光数值也会有些差别。普通光纤使用前需要用光纤漂白器进行漂白,每次漂白时间为1.5小时以上,漂白后可以减少50%-75%的自发荧光,但是自发荧光会随着时间逐渐恢复,所以下次使用之前需要重复漂白。

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▲R810-1光纤漂白器

低自发荧光光纤采用低自发荧光材料制作而成,整体的自发荧光值就很低,实验中不需要重复漂白。在检测一些较弱信号情况下,低自发荧光光纤更具有优势。


4.光纤记录实验能否搭配光纤旋转器?

光纤旋转器是一种实现光旋转连接的光学器件,在实验中可以避免动物运动导致的光纤缠绕。光纤旋转器主要参数分为插入损耗率,旋转变化量,通光率等。常见的光纤旋转器可用于光遗传实验,用于清醒自由动物长时间的刺激和观测实验。

但是光纤记录的激发光和发射光能量都偏低,使用旋转器会对信号传输产生影响,在微弱信号检测上具有影响,所以在绝大多数实验场景下,我们不推荐使用。

如果实验动物运动过于强烈或者某些特殊实验场景(多动物社交实验等)下,可以选择光纤记录专用转环完成实验(具体可以咨询祥宝销售同事)。


5. 多通道记录如何选择光纤耗材?

光纤记录仪器通过同一个接口即可实现多通道记录,所以多通道记录实验可以选择搭配多通道光纤。

▲多通道光纤

6.芯径越大,数值孔径(NA)越大,是不是实验效果更好?

结合第一个问题,整体耗材上下游需要保持相同的芯径和数值孔径,从而可以实现最高效率的光传输与记录。在保持相同参数下,提高数值孔径和芯径可以扩大进光面积,一定程度上提高信号水平。因为芯径越大对于动物脑部的损伤也会大一些,在小鼠实验中,200微米,NA0.39参数即可满足绝大多数实验需求。

如果实验测试时没有完全匹配的光纤,建议选择数值孔径或芯径大于陶瓷插针的光纤,此类情况下,可以适当提高激发光的功率从而达到最好的激发效果,而发射光的回传不受影响。


7.实验如何最大程度避免环境光的干扰?

选择黑色陶瓷插针,黑色套管,黑色包层光纤可以最大程度避免环境光的干扰。此外还可以将牙科水泥涂黑,从而降低环境光的透入。

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本期的光纤记录耗材小贴士就到这里啦!

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