美國(guó)高速高分辨率多光子顯微鏡研究

雙光子熒光顯微成像主要有以下優(yōu)點(diǎn)∶a.光損傷小∶雙光子熒光顯微鏡使用可見(jiàn)光或近紅外光作為激發(fā)光，對(duì)細(xì)胞和組織的光損傷很小，適合于長(zhǎng)時(shí)間的研究;b.穿透能力強(qiáng)∶相對(duì)于紫外光，可見(jiàn)光或近紅外光具有很強(qiáng)的穿透性，可以對(duì)生物樣品進(jìn)行深層次的研究;c．高分辨率∶由于雙光子吸收截面很小P，只有在焦平面很小的區(qū)域內(nèi)可以激發(fā)出熒光，雙光子吸收局限于焦點(diǎn)處的體積約為λ范圍內(nèi);d.漂白區(qū)域很小，焦點(diǎn)以外不發(fā)生漂白現(xiàn)象。e．熒光收集率高。與共聚焦成像相比，雙光子成像不需要光學(xué)濾波器，提高了熒光收集率。收集效率提高直接導(dǎo)致圖像對(duì)比度提高。f.對(duì)探測(cè)光路的要求低。由于激發(fā)光與發(fā)射熒光的波長(zhǎng)差值加大以及自發(fā)的三維濾波效果，多光子顯微鏡對(duì)光路收集系統(tǒng)的要求比單光子共焦顯微鏡低得多，光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。g.適合多標(biāo)記復(fù)合測(cè)量。許多染料熒光探針的多光子激發(fā)光譜要比單光子激發(fā)譜寬闊，這樣，可以利用單一波長(zhǎng)的激發(fā)光同時(shí)激發(fā)多種染料，從而得到同一生命現(xiàn)象中的不同信息，便于相互對(duì)照、補(bǔ)充。利用多光子顯微鏡的多點(diǎn)光ji活能力，我們可以研究多個(gè)神經(jīng)細(xì)胞之間的連接和控制。美國(guó)高速高分辨率多光子顯微鏡研究

ＳｔｅｒｎａｎｄＪｅａｎＭａｒｘ在評(píng)論中說(shuō)：祖家能夠在更為精細(xì)的層次研究樹(shù)突的功能，這在以前是完全不可能的。新的技術(shù)（如腦片的膜片鉗和雙光子顯微使人們對(duì)樹(shù)突的計(jì)算和神經(jīng)信號(hào)處理中的作用有了更好的理解。他們解釋了是樹(shù)突模式和形狀多樣性，及其獨(dú)特的電、及其獨(dú)特的電化學(xué)特征使神經(jīng)元完成了一系列的專(zhuān)門(mén)任務(wù)。雙光子與共聚焦在發(fā)育生物學(xué)中的應(yīng)用雙光子∶ 每2.5分鐘掃描一次，觀察24小時(shí)，發(fā)育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦∶每15分鐘掃描一次，觀察8小時(shí)后細(xì)胞分裂停止，不能發(fā)育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦激發(fā)時(shí)的細(xì)胞存活率為多光子系統(tǒng)的10～20%。美國(guó)飛秒激光多光子顯微鏡成像分辨率1990年A.Mayer在Science上刊文展示了雙光子激光掃描熒光顯微鏡。

從產(chǎn)品類(lèi)型及技術(shù)方面來(lái)看，正置顯微鏡占據(jù)絕大多數(shù)市場(chǎng)。2020年，全球多光子激光掃描正置顯微鏡市場(chǎng)達(dá)到87.30百萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2027年該部分市場(chǎng)將達(dá)到154.02百萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（2021-2027）為8.48%。中國(guó)多光子激光掃描正置顯微鏡市場(chǎng)達(dá)到13.32百萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2027年該部分市場(chǎng)將達(dá)到25.21百萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（2021-2027）為9.58%。從產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看，研究機(jī)構(gòu)為主要應(yīng)用領(lǐng)域，2020年約占全球市場(chǎng)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(tái)，預(yù)計(jì)2027年達(dá)到349臺(tái)，2021-2027年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為9.72%。

要想實(shí)現(xiàn)離散的軸向重新聚焦，需要在OBJ1的焦平面中放置一個(gè)階梯鏡（圖3b）。當(dāng)入射激光束被OBJ1聚焦到的焦平面恰好與階梯重合時(shí)，被反射的激光將在無(wú)窮大的空間中成為準(zhǔn)直光束，并在OBJ2的焦平面上形成激光光斑。并且返回的激光束會(huì)被GSM消除橫向掃描，即OBJ2形成的焦點(diǎn)不會(huì)進(jìn)行橫向掃描，實(shí)現(xiàn)軸向掃描。如果激光點(diǎn)被掃描到與焦平面不一致的階梯，則會(huì)形成遠(yuǎn)離鏡面的激光焦點(diǎn)，返回的激光束會(huì)在無(wú)窮大的空間中會(huì)聚或發(fā)散，進(jìn)而導(dǎo)致由OBJ2形成的激光焦點(diǎn)也在軸向重新聚焦，通過(guò)這種方式即能實(shí)現(xiàn)離散的軸向掃描。對(duì)于已精確匹配兩個(gè)物鏡光瞳的光學(xué)裝置，不會(huì)引入像差。為了進(jìn)行連續(xù)的軸向重新聚焦，將階梯鏡替換為稍微傾斜的平面鏡，同時(shí)入射的激光焦點(diǎn)也需要被傾斜，使得其以垂直于鏡面的方向入射，通過(guò)相對(duì)入射激光束稍微平移OBJ1即可實(shí)現(xiàn)這種傾斜。多光子顯微鏡適用于動(dòng)物大腦皮層深層（400微米）細(xì)胞的形態(tài)、生理學(xué)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(lái)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(guò)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(méi)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(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，就提高了激發(fā)光源的利用率，以及熒光的探測(cè)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(huì)更高，而我們通常說(shuō)的共焦顯微鏡都是指單光子激發(fā)熒光的。多光子共聚焦掃描顯微鏡比雙光子共聚焦掃描顯微鏡具有更高的空間分辨率。離體多光子顯微鏡多光子激發(fā)

4tune光譜檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)多光子顯微鏡的光譜型檢測(cè)。美國(guó)高速高分辨率多光子顯微鏡研究

使用MPM對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行成像時(shí)，通過(guò)隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)掃描—即激光束在整個(gè)視場(chǎng)上的任意選定點(diǎn)上進(jìn)行快速掃描—可以只掃描感興趣的神經(jīng)元，這樣不僅避免掃描到任何未標(biāo)記的神經(jīng)纖維，還可以?xún)?yōu)化激光束的掃描時(shí)間。隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)掃描可以通過(guò)聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理是將具有一個(gè)射頻信號(hào)的壓電傳感器粘在合適的晶體上，所產(chǎn)生的聲波引起周期性的折射率光柵，激光束通過(guò)光柵時(shí)發(fā)生衍射。通過(guò)射頻電信號(hào)調(diào)控聲波的強(qiáng)度和頻率從而可以改變衍射光的強(qiáng)度和方向，這樣使用1個(gè)AOD就可以實(shí)現(xiàn)一維橫向的任意點(diǎn)掃描，利用1對(duì)AOD，結(jié)合其他軸向掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)3D的隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)掃描。但是該技術(shù)對(duì)樣本的運(yùn)動(dòng)很敏感，易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影。目前，快速光柵掃描即在FOV中進(jìn)行逐行掃描，由于利用算法可以輕松解決運(yùn)動(dòng)偽影而被普遍的使用。美國(guó)高速高分辨率多光子顯微鏡研究