共聚焦多光子顯微鏡單分子成像定位

多光子顯微鏡成像深度深、對(duì)比度高，在生物成像中具有重要意義，但通常需要較高的功率。結(jié)合時(shí)間傳播的超短脈沖可以實(shí)現(xiàn)超快的掃描速度和較深的成像深度，但近紅外波段的光本身會(huì)導(dǎo)致分辨率較低。基于多光子上轉(zhuǎn)換材料和時(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)是由清華大學(xué)教授和北京大學(xué)彭研究員合作開(kāi)發(fā)的?？蓪?shí)現(xiàn)50MHz的超高掃描速度，突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。與普通熒光顯微鏡相比，該顯微鏡經(jīng)過(guò)改進(jìn)，只需要較低的激發(fā)功率。這種超快、低功耗、多光子超分辨率技術(shù)在高分辨率生物深層組織成像中具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。多光子顯微鏡可以進(jìn)行深層成像，且具有三維成像的能力，可以應(yīng)用于拍攝不透明的厚樣品。共聚焦多光子顯微鏡單分子成像定位

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(lái)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(jiàn)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(guān)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(guān)察。進(jìn)口多光子顯微鏡成像分辨率從雙光子到三光子甚至四光子，這種非線(xiàn)性成像技術(shù)通常也被統(tǒng)稱(chēng)為多光子顯微鏡。

使用基因編碼的熒光探針可以在突觸和細(xì)胞分辨率下監(jiān)測(cè)體內(nèi)神經(jīng)元信號(hào)，這是揭示動(dòng)物神經(jīng)活動(dòng)復(fù)雜機(jī)制的關(guān)鍵。使用雙光子顯微鏡（2PM）可以以亞細(xì)胞分辨率對(duì)鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器成像，從而測(cè)量不透明大腦深處的活動(dòng)；成像膜電壓變化能直接反映神經(jīng)元活動(dòng)，但神經(jīng)元活動(dòng)的速度對(duì)于常規(guī)的2PM來(lái)說(shuō)太快。目前電壓成像主要通過(guò)寬場(chǎng)顯微鏡實(shí)現(xiàn)，但它的空間分辨率較差并且于淺層深度。因此要在不透明的大腦中以高空間分辨率對(duì)膜電壓變化進(jìn)行成像，需要明顯提高2PM的成像速率。

多光子成像系統(tǒng)提供的優(yōu)勢(shì)包括了真正的三維成像、對(duì)活組織內(nèi)部深處進(jìn)行成像的能力以及消除平面外熒光的能力。使用這種方法進(jìn)行成像，可以對(duì)斯托克斯位移非常短和/或效率非常低的熒光染料進(jìn)行成像，甚至可以對(duì)樣品或組織中固有的熒光分子進(jìn)行成像。多光子成像的缺點(diǎn)包括需要高峰值功率脈沖激光器，例如鎖模鈦：藍(lán)寶石激光器，并且直到現(xiàn)在，缺乏在整個(gè)發(fā)射范圍內(nèi)提供足夠吞吐量的高性能濾光片。整個(gè)激光調(diào)諧范圍內(nèi)的興趣和足夠的阻擋。多光子顯微鏡的分辨率比傳統(tǒng)的單光子共聚焦要低的多。

多束掃描技術(shù)可以同時(shí)對(duì)神經(jīng)元組織的不同位置進(jìn)行成像對(duì)兩個(gè)遠(yuǎn)距離（相距大于1-2mm）的成像部位，通常使用兩條單獨(dú)的路徑進(jìn)行成像；對(duì)于相鄰區(qū)域，通常使用單個(gè)物鏡的多光束進(jìn)行成像。多光束掃描技術(shù)必須特別注意激發(fā)光束之間的串?dāng)_問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)事后光源分離方法或時(shí)空復(fù)用方法來(lái)解決。事后光源分離方法指的是用算法來(lái)分離光束消除串?dāng)_；時(shí)空復(fù)用方法指的是同時(shí)使用多個(gè)激發(fā)光束，每個(gè)光束的脈沖在時(shí)間上延遲，這樣就可以暫時(shí)分離被不同光束激發(fā)的單個(gè)熒光信號(hào)。引入越多路光束就可以對(duì)越多的神經(jīng)元進(jìn)行成像，但是多路光束會(huì)導(dǎo)致熒光衰減時(shí)間的重疊增加，從而限制了區(qū)分信號(hào)源的能力；并且多路復(fù)用對(duì)電子設(shè)備的工作速率有很高的要求；大量的光束也需要更高的激光功率來(lái)維持近似單光束的信噪比，這會(huì)容易導(dǎo)致組織損傷。4tune光譜檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)多光子顯微鏡的光譜型檢測(cè)。進(jìn)口多光子顯微鏡成像分辨率

多光子激光掃描顯微鏡采用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外激光,能量脈沖式激發(fā),紅外光比可見(jiàn)光在生物組織中的穿透力更強(qiáng)。共聚焦多光子顯微鏡單分子成像定位

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(guò)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(guò)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(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)換把部分能量轉(zhuǎn)移給周?chē)姆肿?，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。共聚焦多光子顯微鏡單分子成像定位