高速高分辨率多光子顯微鏡Ultima Investigator

現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和科技的進(jìn)步，特別是隨著后基因組時(shí)代的到來，人們已經(jīng)能夠根據(jù)需要建立各種細(xì)胞模型，為在體研究基因表達(dá)規(guī)律、分子間的相互作用、細(xì)胞的增殖、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、誘導(dǎo)分化、細(xì)胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物學(xué)條件。然而，盡管人們利用現(xiàn)有的分子生物學(xué)方法，已經(jīng)對基因表達(dá)和蛋白質(zhì)之間的相互作用進(jìn)行了深入、細(xì)致的研究，但仍然不能實(shí)現(xiàn)對蛋白質(zhì)和基因活動的實(shí)時(shí)、動態(tài)監(jiān)測。在細(xì)胞的生理過程中，基因、尤其是蛋白質(zhì)的表達(dá)、修飾和相萬作用往往發(fā)生可逆的、動態(tài)的變化。目前的分子生物學(xué)方法還不能捕獲到蛋白質(zhì)和基因的這些變化，但獲取這些信息對與研究基因的表達(dá)和蛋白質(zhì)之間的相互作用又至關(guān)重要。因此，發(fā)展能用于、動態(tài)、實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測蛋白質(zhì)和基因活動的方法是非常必要的。精確測量細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能，多光子顯微鏡技術(shù)走在科技前沿。高速高分辨率多光子顯微鏡Ultima Investigator

快速光柵掃描有多種實(shí)現(xiàn)方式，使用振鏡進(jìn)行快速2D掃描，將振鏡和可調(diào)電動透鏡結(jié)合在一起進(jìn)行快速3D掃描，但可調(diào)電動透鏡由于機(jī)械慣性的限制在軸向無法快速進(jìn)行焦點(diǎn)切換，影響成像速度，現(xiàn)可使用空間光調(diào)制器（SLM）代替。遠(yuǎn)程聚焦也是一種實(shí)現(xiàn)3D成像的手段，如圖2所示。在LSU模塊中，掃描振鏡進(jìn)行橫向掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過調(diào)控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)行快速的軸向掃描。想要獲得更多神經(jīng)元成像，可以通過調(diào)整顯微鏡的物鏡設(shè)計(jì)來擴(kuò)大FOV，但是具有大NA和大FOV的物鏡通常重量較大，無法快速移動以進(jìn)行快速軸向掃描，因此大型FOV系統(tǒng)需要依賴于遠(yuǎn)程聚焦、SLM和可調(diào)電動透鏡。高速高分辨率多光子顯微鏡Ultima Investigator由于光的波長有限，光子顯微鏡的分辨率受到限制，無法觀察到更小的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器。

光學(xué)成像技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)的結(jié)合為研究上述科學(xué)問題提供了條件與可能。因此，在現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，急需發(fā)展新的成像技術(shù)。在動物體內(nèi)，如何實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)及蛋白質(zhì)之間相五作用的實(shí)時(shí)在體成像監(jiān)測是當(dāng)前迫切需要解決的重大科學(xué)技術(shù)問題。這是也生物學(xué)、信息科學(xué)（光學(xué)）和基礎(chǔ)臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科共同感興趣的重大問題。對這-一一科學(xué)問題的研究不僅有助于闡明生命活動的基本規(guī)律、認(rèn)識疾病的發(fā)展規(guī)律，而且對創(chuàng)新藥物研究、藥物療效評價(jià)以及發(fā)展疾病早期診斷技術(shù)等產(chǎn)生重大影響。

2020年，TonmoyChakraborty等人提出了加速2PM軸向掃描速度的方法[2]。在光學(xué)顯微鏡中，物鏡或樣品緩慢的軸向掃描速度限制了體成像的速度。近年來，通過使用遠(yuǎn)程聚焦技術(shù)或電調(diào)諧透鏡(ETL)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了快速軸向掃描。但遠(yuǎn)程對焦時(shí)對反射鏡的機(jī)械驅(qū)動會限制軸向掃描速度，ETL會引入球差和高階像差，無法進(jìn)行高分辨率成像。為了克服這些限制，該小組引入了一種新的光學(xué)設(shè)計(jì)，可以將橫向掃描轉(zhuǎn)換為無球面像差的軸向掃描，以實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)。***個(gè)可以執(zhí)行離散的軸向掃描，另一個(gè)可以執(zhí)行連續(xù)的軸向掃描。如圖3a所示，特定裝置由兩個(gè)垂直臂組成，每個(gè)臂具有4F望遠(yuǎn)鏡和物鏡。遠(yuǎn)程聚焦臂由振鏡掃描鏡(GSM)和空氣物鏡(OBJ1)組成，另一個(gè)臂(稱為照明臂)由浸沒物鏡(OBJ2)組成。兩個(gè)臂對齊，使得GSM與兩個(gè)物鏡的后焦平面共軛。準(zhǔn)直后的激光束經(jīng)偏振分束器反射進(jìn)入遠(yuǎn)程聚焦臂，由GSM進(jìn)行掃描，使OBJ1產(chǎn)生的激光焦點(diǎn)可以進(jìn)行水平掃描。多光子顯微鏡，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)、無標(biāo)記的生物組織觀測方案。

當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激時(shí)，隨著刺激時(shí)間的增加，即使繼續(xù)刺激，Ca2+熒光信號也不會繼續(xù)增強(qiáng)，反而會減弱，直至恢復(fù)到無刺激時(shí)的水平。對于細(xì)胞受精過程中Ca2+熒光信號的變化，發(fā)現(xiàn)粘附過程中Ca2+熒光信號沒有變化，但當(dāng)配子融合時(shí)，Ca2+熒光信號強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)不穩(wěn)定的峰值，持續(xù)數(shù)分鐘。這些現(xiàn)象對于研究受精發(fā)育的早期信號以及Ca2+在卵子和受精卵發(fā)育中的作用具有重要意義。在其他生理過程中，如細(xì)胞分裂和胞吐，Ca2+熒光信號的強(qiáng)度也會發(fā)生很大的變化。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。美國共聚焦多光子顯微鏡配置

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。高速高分辨率多光子顯微鏡Ultima Investigator

    多光子激光掃描顯微鏡行業(yè)發(fā)展，世界多光子激光掃描顯微鏡產(chǎn)業(yè)主要布局在德國和日本，德國是以徠卡顯微系統(tǒng)和蔡司為，而日本以尼康和奧林巴斯公司為，2020年，上述企業(yè)占據(jù)著世界多光子激光掃描顯微鏡市場64.44%的市場份額，其發(fā)展戰(zhàn)略左右著多光子激光掃描顯微鏡市場的走向。目前世界市場對多光子激光掃描顯微鏡的需求在增長，中國市場這方面的需求增長更快，未來五年多光子激光掃描顯微鏡市場的發(fā)展在中國將具有很大的發(fā)展?jié)摿Α８咚俑叻直媛识喙庾语@微鏡Ultima Investigator