激光掃描多光子顯微鏡三維分辨率

2020年，TonmoyChakraborty等人提出了一種加快2PM軸向掃描速度的方法[2]。在光學(xué)顯微鏡中，物鏡或樣品的緩慢軸向掃描速度限制了體積成像的速度。近年來，通過使用遠(yuǎn)程聚焦技術(shù)或電可調(diào)諧透鏡（ETL）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了快速軸向掃描；但是，遠(yuǎn)程聚焦中反射鏡的機(jī)械驅(qū)動(dòng)會(huì)限制軸向掃描速度，ETL會(huì)引入球面像差和更高階像差，從而無法進(jìn)行高分辨率成像。為了克服這些局限性，該組引入了一種新穎的光學(xué)設(shè)計(jì)，能將橫向掃描轉(zhuǎn)換為可用于高分辨率成像的無球差的軸向掃描。該設(shè)計(jì)有兩種實(shí)現(xiàn)方式，第一種能夠執(zhí)行離散的軸向掃描，另一種能夠進(jìn)行連續(xù)的軸向掃描。具體裝置如圖3a所示，由兩個(gè)垂直臂組成，每個(gè)臂中都有一個(gè)4F望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)物鏡。遠(yuǎn)程聚焦臂包含一個(gè)檢流掃描鏡（GSM）和一個(gè)空氣物鏡（OBJ1），另一個(gè)臂（稱為照明臂）由一個(gè)水浸物鏡（OBJ2）構(gòu)成。將這兩個(gè)臂對(duì)齊，以使GSM與兩個(gè)物鏡的后焦平面共軛。準(zhǔn)直的激光束被偏振分束器反射到遠(yuǎn)程聚焦臂中，GSM對(duì)其進(jìn)行掃描，進(jìn)而使得OBJ1產(chǎn)生的激光焦點(diǎn)進(jìn)行橫向掃描。多光子顯微鏡的大多數(shù)補(bǔ)償器都采用棱鏡。激光掃描多光子顯微鏡三維分辨率

針對(duì)雙光子熒光顯微鏡的特點(diǎn)，從理論上分析雙光子成像特點(diǎn)，并搭建一套時(shí)間、空間分辨率高，能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、多參數(shù)測(cè)量的雙光子熒光顯微鏡系統(tǒng)。具體系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)∶（1）能對(duì)不同染料的雙光子熒光進(jìn)行探測(cè);（2）用特定染料對(duì)樣品標(biāo)記以后，能實(shí)現(xiàn)雙光子熒光的三維成像;（3）通過實(shí)驗(yàn)的研究，改進(jìn)雙光子熒光顯微成像系統(tǒng);（4）在保證成像質(zhì)量的前提下，簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)，使得實(shí)驗(yàn)操作方便、安全。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(dòng)能級(jí)。處于比較低電子激發(fā)態(tài)的比較低振動(dòng)能級(jí)像在生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像研究中顯示了較大的優(yōu)勢(shì)。而在顯微成像中，雙光子熒光顯微鏡憑其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，成為研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能檢測(cè)的重要工具。激光掃描多光子顯微鏡三維分辨率多光子顯微鏡的成熟的深部組織成像技術(shù)中。還有其他類型的圖像對(duì)比提供有關(guān)樣本的有價(jià)值信息。

以往我們認(rèn)識(shí)的光電效應(yīng)是單光子光電效應(yīng)，即一個(gè)電子在極短時(shí)間內(nèi)能吸收到一個(gè)光子而從金屬表面逸出。強(qiáng)激光的出現(xiàn)豐富了人們對(duì)于光電效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，用強(qiáng)激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個(gè)電子在短時(shí)間吸收多個(gè)光子成為可能，從而形成多光子電效應(yīng)，這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。為什么一般討論的光電效應(yīng)都是指單光子光電效應(yīng)呢？這是因?yàn)?，在使用普通光源的情況下，電子吸收兩個(gè)以上光子能量的概率是非常非常小的，幾乎為零。事實(shí)上，愛因斯坦本人就考慮過在強(qiáng)光下發(fā)生光電效應(yīng)的可能性問題。對(duì)此，他有如下的論述：光電效應(yīng)中的一個(gè)電子吸收兩個(gè)光子的幾率不會(huì)大于下雨天兩個(gè)雨滴同事打在一個(gè)螞蟻上的幾率。因此，多光子光電效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上的研究成為可能，是二十世紀(jì)六十年代激光乃至強(qiáng)激光出現(xiàn)以后的事情。有了激光，對(duì)于雙光子光電效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)上和理論上均取得了許多成果。利用強(qiáng)激光，人們不僅觀察到雙光子和三光子的光電效應(yīng)，甚至觀察到金靶材吸收幾十個(gè)等效光子實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

多光子顯微鏡對(duì)成像深度的改善利用紅光或紅外光激發(fā)，光散射?。ㄐ×Ｗ拥纳⑸渑c波長(zhǎng)的四次方的成反比）。不需要***，能更多收集來自成像截面的散射光子。***不能區(qū)分由離焦區(qū)域或焦點(diǎn)區(qū)發(fā)射出的散射光子，多光子在深層成像信噪比好。單光子激發(fā)所用的紫外或可見光在光束到達(dá)焦平面之前易被樣品吸收而衰減，不易對(duì)深層激發(fā)。多光子熒光成像的特點(diǎn)。深度成像∶與共聚焦相比能更好地對(duì)厚散射物質(zhì)成像。信噪比∶多光子吸收采用的波長(zhǎng)是單光子吸收的2倍以上，所以顯微試樣中的瑞利散射更小，熒光測(cè)定的信噪比更高。觀察活細(xì)胞∶離子測(cè)量（i.e.Ca2+），GFP，發(fā)育生物學(xué)等—減少了光毒性和光漂白，能對(duì)細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間觀察。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。

隨著生物分子光學(xué)標(biāo)記技術(shù)的不斷進(jìn)步，光學(xué)技術(shù)在揭示生命活動(dòng)基本規(guī)律的研究中正發(fā)揮越來越重要的作用，也為醫(yī)學(xué)診療提供了更多、更有效的手段。生物醫(yī)學(xué)光學(xué)是近年來受到國(guó)際光學(xué)界和生物醫(yī)學(xué)界關(guān)注的研究熱點(diǎn)，在生物活檢、光動(dòng)力、細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能檢測(cè)、基因表達(dá)規(guī)律的在體研究等問題上取得了一系列研究成果，目前正在從宏觀到微觀上對(duì)大腦活動(dòng)與功能進(jìn)行多層面的研究。細(xì)胞重大生命活動(dòng)（包括細(xì)胞增殖、分化、凋亡及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)）的發(fā)生和調(diào)節(jié)是通過生物大分子間（如蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-核酸等）相互作用來實(shí)現(xiàn)的。蛋白質(zhì)作為基因調(diào)控的產(chǎn)物，與細(xì)胞和機(jī)體生理過程代謝直接相關(guān)，深入研究基因表達(dá)及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用不僅能揭示生命活動(dòng)的基本規(guī)律，同時(shí)也能深入了解疾病發(fā)生的分子機(jī)理，進(jìn)而為尋找更有效的藥物分子、提高藥物篩選和藥物設(shè)計(jì)的效率提供新的方法和思路。多光子顯微鏡已經(jīng)被生物學(xué)家普遍的運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)中。美國(guó)模塊化多光子顯微鏡應(yīng)用

未來國(guó)產(chǎn)多光子激光掃描顯微鏡替代空間大。激光掃描多光子顯微鏡三維分辨率

多光子顯微鏡因擁有較深的成像深度，和較高的對(duì)比度在生物成像中有著重要的意義，但是它通常需要較高的功率。結(jié)合時(shí)間上展開的超短脈沖可以實(shí)現(xiàn)超快的掃描速度和較深的成像深度，但是其本身所利用的近紅外波段的光會(huì)導(dǎo)致分辨率較低。清華大學(xué)陳宏偉教授和北京大學(xué)席鵬研究員合作研究，結(jié)合了結(jié)構(gòu)光成像和上轉(zhuǎn)化粒子，開發(fā)了一種基于多光子上轉(zhuǎn)化材料和時(shí)間編碼結(jié)構(gòu)光顯微鏡的高速超分辨成像系統(tǒng)(MUTE-SIM)。它可以實(shí)現(xiàn)50MHz的超高的掃描速度，并突破了衍射極限，實(shí)現(xiàn)了超分辨成像。相較于普通的熒光顯微鏡，該顯微鏡提升了，并且只需要較低的激發(fā)功率。這種超快、低功率、多光子的超分辨技術(shù)，在分辨率高的生物深層組織成像上有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。激光掃描多光子顯微鏡三維分辨率