美國飛秒激光多光子顯微鏡研究

我們要指出的是，單光子激發(fā)熒光和雙光子激發(fā)熒光，是從熒光產(chǎn)生的機(jī)理上來區(qū)分的。而共焦則是熒光顯微鏡的一種結(jié)構(gòu)，其目的是為了，通過共焦結(jié)構(gòu)，提高整個(gè)熒光顯微鏡的空間分辨率。所以共焦熒光顯微鏡可以根據(jù)激發(fā)光源的不同，實(shí)現(xiàn)單光子共焦熒光成像或者雙光子共焦熒光成像。往往一個(gè)普通的雙光子熒光顯微鏡（沒有共焦結(jié)構(gòu)）其空間分辨率也可以達(dá)到單光子共焦熒光顯微鏡的水平。這樣就可以簡化整個(gè)系統(tǒng)，相對來說，就提高了激發(fā)光源的利用率，以及熒光的探測效率，這個(gè)也是我們提倡雙光子熒光成像的原因之一。雙光子熒光共焦顯微鏡由于雙光子效應(yīng)和共焦結(jié)構(gòu)，分辨率則會更高，而我們通常說的共焦顯微鏡都是指單光子激發(fā)熒光的。融合先進(jìn)激光技術(shù)，多光子顯微鏡實(shí)現(xiàn)高速、高清晰度成像。美國飛秒激光多光子顯微鏡研究

從產(chǎn)品類型及技術(shù)方面來看，正置顯微鏡占據(jù)絕大多數(shù)市場。2020年，全球多光子激光掃描正置顯微鏡市場達(dá)到87.30百萬美元，預(yù)計(jì)到2027年該部分市場將達(dá)到154.02百萬美元，年復(fù)合增長率（2021-2027）為8.48%。中國多光子激光掃描正置顯微鏡市場達(dá)到13.32百萬美元，預(yù)計(jì)到2027年該部分市場將達(dá)到25.21百萬美元，年復(fù)合增長率（2021-2027）為9.58%。從產(chǎn)品市場應(yīng)用情況來看，研究機(jī)構(gòu)為主要應(yīng)用領(lǐng)域，2020年約占全球市場46.28%。2020年，全球多光子激光掃描顯微鏡研究機(jī)構(gòu)應(yīng)用消費(fèi)量為174臺，預(yù)計(jì)2027年達(dá)到349臺，2021-2027年復(fù)合增長率（CAGR）為9.72%。Ultima 2P Plus多光子顯微鏡數(shù)據(jù)處理多光子顯微鏡，為材料科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用提供全新視角。

有許多方法可以實(shí)現(xiàn)快速光柵掃描，例如使用振鏡進(jìn)行快速2D掃描，以及將振鏡與可調(diào)電動透鏡相結(jié)合進(jìn)行快速3D掃描。而可調(diào)電動式鏡頭由于機(jī)械慣性的限制，無法在軸向快速切換焦點(diǎn)，影響成像速度。現(xiàn)在它可以被空間光調(diào)制器(SLM)取代。遠(yuǎn)程對焦也是實(shí)現(xiàn)3D成像的一種手段，如圖2所示。LSU模塊中，掃描振鏡水平掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過調(diào)整M的位置實(shí)現(xiàn)軸向掃描該技術(shù)不僅可以校正主物鏡L2引入的光學(xué)像差，還可以進(jìn)行快速軸向掃描。為了獲得更多的神經(jīng)元成像，可以通過調(diào)整顯微鏡的物鏡設(shè)計(jì)來放大FOV。然而，大NA和大FOV的物鏡通常很重，不能快速移動以進(jìn)行快速軸向掃描，因此大FOV系統(tǒng)依賴于遠(yuǎn)程聚焦、SLM和可調(diào)電動透鏡。

對于雙光子(2P)成像，散焦和近表面熒光激發(fā)是兩個(gè)相對較大的深度限制因素，而對于三光子(3P)成像，這兩個(gè)問題**減少。  然而，由于熒光團(tuán)的吸收截面遠(yuǎn)小于2P，三光子成像需要更高的脈沖能量才能獲得與2P相同激發(fā)強(qiáng)度的熒光信號。  功能性3P顯微鏡比結(jié)構(gòu)性3P顯微鏡要求更高，后者需要更快的掃描速度以便及時(shí)采樣神經(jīng)元活動。  為了在每個(gè)像素的停留時(shí)間內(nèi)收集足夠的信號，需要更高的脈沖能量。  復(fù)雜的行為通常涉及大規(guī)模的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)既有本地連接，也有遠(yuǎn)程連接。  為了將神經(jīng)元的活動與行為聯(lián)系起來，需要同時(shí)監(jiān)測* * *分布的超大型神經(jīng)元的活動。  大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將在幾十毫秒內(nèi)處理輸入的刺激。  為了理解這種快速神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)，MPM需要快速成像神經(jīng)元的能力。  快速M(fèi)PM方法可分為單束掃描技術(shù)和多束掃描技術(shù)。  利用多光子顯微鏡的光遺傳學(xué)操作能力，我們可以對某類神經(jīng)元的ji活和失活進(jìn)行高精度的操作。

單光子激發(fā)熒光的過程，就是熒光分子吸收一個(gè)光子，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，躍遷以后，能量較大的激發(fā)態(tài)分子，通過內(nèi)轉(zhuǎn)換把部分能量轉(zhuǎn)移給周圍的分子，自己回到比較低電子激發(fā)態(tài)的比較低振動能級。處于比較低電子激發(fā)態(tài)的比較低振動能級的分子的平均壽命大約在10s左右。這時(shí)它不是通過內(nèi)轉(zhuǎn)換的方式來消耗能量，回到基態(tài)，而是通過發(fā)射出相應(yīng)的光量子來釋放能量，回到基態(tài)的各個(gè)不同的振動能級時(shí)，就發(fā)射熒光。因?yàn)樵诎l(fā)射熒光以前已經(jīng)有一部分能量被消耗，所以發(fā)射的熒光的能量要比吸收的能量小，也就是熒光的特征波長要比吸收的特征波長來的長。多光子顯微鏡，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)、實(shí)時(shí)、動態(tài)的生物組織觀測。飛秒激光多光子顯微鏡Ultima Investigator

雙光子熒光顯微鏡是結(jié)合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新技術(shù)。美國飛秒激光多光子顯微鏡研究

雙光子熒光顯微成像主要有以下優(yōu)點(diǎn):a.光損傷小:雙光子熒光顯微以可見光或近紅外光為激發(fā)光，對細(xì)胞和組織的光損傷小，適合長期研究；b.穿透力強(qiáng):與紫外光、可見光或近紅外光相比，穿透力強(qiáng)，可用于生物樣品的深入研究；c.高分辨率:由于雙光子吸收截面很小P，熒光只能在焦平面很小的區(qū)域激發(fā)，雙光子吸收被限制在焦點(diǎn)λ左右的體積內(nèi)；d.漂白區(qū)域很小，焦點(diǎn)外不發(fā)生漂白。E.高熒光收集率與共焦成像相比，雙光子成像不需要濾光片，提高了熒光收集率。采集效率的提高直接導(dǎo)致圖像對比度的提高。F.對探測光路要求低。由于激發(fā)光和發(fā)射熒光的波長差越來越大，加上自發(fā)三維濾波效應(yīng)，多光子顯微鏡對光路采集系統(tǒng)的要求遠(yuǎn)低于單光子共焦顯微鏡，光學(xué)系統(tǒng)也相對簡單。G.適用于多標(biāo)簽復(fù)合測量許多染料熒光探針的多光子激發(fā)光譜比單光子激發(fā)光譜更寬，從而可以用單一波長的激發(fā)光同時(shí)激發(fā)多種染料，獲得同一生命現(xiàn)象的不同信息，便于相互比較和補(bǔ)充。美國飛秒激光多光子顯微鏡研究