模塊化多光子顯微鏡技術(shù)

細(xì)胞在受到外界刺激時(shí)，隨著刺激時(shí)間的增長(zhǎng)，即使刺激繼續(xù)存在，Ca2+熒光信號(hào)不但不會(huì)繼續(xù)增強(qiáng)，反而會(huì)減弱，直至恢復(fù)到未加刺激物時(shí)的水平。對(duì)于細(xì)胞受精過(guò)程中 Ca2+熒光信號(hào)的變化情況，研究發(fā)現(xiàn)，配了在粘著過(guò)程中，Ca2+熒光信號(hào)未發(fā)生任何變化，而配子之間發(fā)生融合作用時(shí)，Ca2+熒光信號(hào)強(qiáng)度卻會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不穩(wěn)定的峰值，并可持續(xù)幾分鐘。這些現(xiàn)象，對(duì)研究受精發(fā)育的早期信號(hào)及 Ca2+在卵細(xì)胞和受精卵的發(fā)育過(guò)程中的作用具有重要的意義。在其它一些生理過(guò)程如細(xì)胞分裂、胞吐作用等，Ca2+熒光信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生很的變化。世界多光子激光掃描顯微鏡產(chǎn)業(yè)主要布局在德國(guó)和日本，德國(guó)是徠卡顯微系統(tǒng)和蔡司。模塊化多光子顯微鏡技術(shù)

2020年，JianglaiWu等人提出提高2PM橫向掃描速率的裝置，稱(chēng)為FACED（free-spaceangular-chirp-enhanceddelay）。圓柱透鏡將激光束一維聚焦，會(huì)聚角為Δθ。光束進(jìn)入到一對(duì)幾乎平行的高反射鏡中，其間距為S，偏角為α。經(jīng)過(guò)反射鏡多次反射后，激光脈沖被分成多個(gè)傳播方向不同的子脈沖（N=Δθ/α），脈沖間以2S/c的時(shí)間延遲（c，光速）回射。FACED模塊輸出處的子脈沖序列可以看作從虛擬光源陣列發(fā)出的光，這些子脈沖在中繼到顯微鏡物鏡后形成了一個(gè)空間上分離且時(shí)間延遲的焦點(diǎn)陣列。然后將該模塊并入具有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)雙光子熒光顯微鏡中。光源是具有1MHz重復(fù)頻率的920nm的激光器，通過(guò)FACED模塊可產(chǎn)生80個(gè)脈沖焦點(diǎn)，其脈沖時(shí)間間隔為2ns。這些焦點(diǎn)是虛擬源的圖像，虛擬源越遠(yuǎn)，物鏡處的光束尺寸越大，焦點(diǎn)越小。光束沿y軸比x軸能更好地充滿(mǎn)物鏡，從而導(dǎo)致x軸的橫向分辨率為0.82μm，y軸的橫向分辨率為0.35μm。嚙齒類(lèi)多光子顯微鏡焦點(diǎn)激發(fā)利用多光子顯微鏡的光遺傳學(xué)操作能力，我們可以對(duì)某類(lèi)神經(jīng)元的ji活和失活進(jìn)行高精度的操作。

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(dòng)透鏡結(jié)合在一起進(jìn)行快速3D掃描，但可調(diào)電動(dòng)透鏡由于機(jī)械慣性的限制在軸向無(wú)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(guò)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(guò)調(diào)整顯微鏡的物鏡設(shè)計(jì)來(lái)擴(kuò)大FOV，但是具有大NA和大FOV的物鏡通常重量較大，無(wú)法快速移動(dòng)以進(jìn)行快速軸向掃描，因此大型FOV系統(tǒng)依賴(lài)于遠(yuǎn)程聚焦、SLM和可調(diào)電動(dòng)透鏡。

多光子激發(fā)掃描顯微成像系統(tǒng)的不足。只能對(duì)熒光成像。如果樣品包括能夠吸收激發(fā)光的色團(tuán)，如色素，樣品可能受到熱損傷。分辨率略有降低，雖然可以通過(guò)同時(shí)利用共焦的小孔得到改善，但是信號(hào)會(huì)有損耗。受昂貴的超快激光器限制，多光子掃描顯微鏡的成本較高。多光子激發(fā)顯微鏡應(yīng)用舉例。動(dòng)物和腦片神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能、動(dòng)物腦皮層的成像、胚胎發(fā)育過(guò)程的長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)觀測(cè)、多光子激發(fā)光解籠、細(xì)胞內(nèi)微區(qū)鈣動(dòng)力學(xué)、多光子激發(fā)自發(fā)熒光、其它應(yīng)用。雙光子共聚焦顯微鏡比單光子共聚焦顯微鏡具有更亮的橫向分辨率和縱向分辨率。

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%。點(diǎn)掃描多光子顯微鏡可以深入樣本并捕捉高質(zhì)量的圖像，但這個(gè)過(guò)程極其緩慢，因?yàn)閳D像是一次形成一個(gè)點(diǎn)。布魯克多光子顯微鏡成像精度

多光子顯微鏡之類(lèi)的先進(jìn)光學(xué)技術(shù)能夠在活生物體的大腦表面下更深地成像。模塊化多光子顯微鏡技術(shù)

某種物質(zhì)能產(chǎn)生熒光，首要條件是分子必須具有吸收的結(jié)構(gòu)，即生色團(tuán)（分子中具有吸收特征頻率的光能的基團(tuán)）。其次，該物質(zhì)必須具有一定的量子產(chǎn)率和適宣的環(huán)境。我們把分子中發(fā)射熒光的基團(tuán)稱(chēng)為熒光團(tuán)。熒光團(tuán)一定是生色團(tuán)，但生色團(tuán)不一定是熒光團(tuán)。因?yàn)?，如果生色團(tuán)的量子產(chǎn)率等于零，就不能發(fā)射出熒光，處于激發(fā)態(tài)的分子，可以由許多方式（如熱，碰撞）把能量釋放出來(lái)，發(fā)射熒光只是其中的一種方式。此外，一種物質(zhì)吸收光的能力及量子產(chǎn)率又與物質(zhì)所處的環(huán)境密切相關(guān)。模塊化多光子顯微鏡技術(shù)