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)動會限制軸向掃描速度，ETL會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，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)計有兩種實現(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，由兩個垂直臂組成，每個臂中都有一個4F望遠(yuǎn)鏡和一個物鏡。遠(yuǎn)程聚焦臂包含一個檢流掃描鏡（GSM）和一個空氣物鏡（OBJ1），另一個臂（稱為照明臂）由一個水浸物鏡（OBJ2）構(gòu)成。將這兩個臂對齊，以使GSM與兩個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對其進(jìn)行掃描，進(jìn)而使得OBJ1產(chǎn)生的激光焦點進(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

針對雙光子熒光顯微鏡的特點，從理論上分析雙光子成像特點，并搭建一套時間、空間分辨率高，能實時、動態(tài)、多參數(shù)測量的雙光子熒光顯微鏡系統(tǒng)。具體系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)∶（1）能對不同染料的雙光子熒光進(jìn)行探測;（2）用特定染料對樣品標(biāo)記以后，能實現(xiàn)雙光子熒光的三維成像;（3）通過實驗的研究，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，簡化整個系統(tǒng)，使得實驗操作方便、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。而在顯微成像中，雙光子熒光顯微鏡憑其獨有的優(yōu)點，成為研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能檢測的重要工具。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比提供有關(guān)樣本的有價值信息。

以往我們認(rèn)識的光電效應(yīng)是單光子光電效應(yīng)，即一個電子在極短時間內(nèi)能吸收到一個光子而從金屬表面逸出。強(qiáng)激光的出現(xiàn)豐富了人們對于光電效應(yīng)的認(rèn)識，用強(qiáng)激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個電子在短時間吸收多個光子成為可能，從而形成多光子電效應(yīng)，這已被實驗證實。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？這是因為，在使用普通光源的情況下，電子吸收兩個以上光子能量的概率是非常非常小的，幾乎為零。事實上，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。對此，他有如下的論述：光電效應(yīng)中的一個電子吸收兩個光子的幾率不會大于下雨天兩個雨滴同事打在一個螞蟻上的幾率。因此，多光子光電效應(yīng)在實驗上的研究成為可能，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，對于雙光子光電效應(yīng)，在實驗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等效光子實驗現(xiàn)象。

多光子顯微鏡對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，不易對深層激發(fā)。多光子熒光成像的特點。深度成像∶與共聚焦相比能更好地對厚散射物質(zhì)成像。信噪比∶多光子吸收采用的波長是單光子吸收的2倍以上，所以顯微試樣中的瑞利散射更小，熒光測定的信噪比更高。觀察活細(xì)胞∶離子測量（i.e.Ca2+），GFP，發(fā)育生物學(xué)等—減少了光毒性和光漂白，能對細(xì)胞長時間觀察。多光子顯微鏡適用于動物大腦皮層深層（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)是近年來受到國際光學(xué)界和生物醫(yī)學(xué)界關(guān)注的研究熱點，在生物活檢、光動力、細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能檢測、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大腦活動與功能進(jìn)行多層面的研究。細(xì)胞重大生命活動（包括細(xì)胞增殖、分化、凋亡及信號轉(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的基本規(guī)律，同時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)家普遍的運用于實驗中。美國模塊化多光子顯微鏡應(yīng)用

未來國產(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)合時間上展開的超短脈沖可以實現(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)。它可以實現(xiàn)50MHz的超高的掃描速度，并突破了衍射極限，實現(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遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。激光掃描多光子顯微鏡三維分辨率