模塊化多光子顯微鏡飛秒激光

對兩個遠(yuǎn)距離（相距大于1-2 mm）的成像部位，通常使用兩條單獨(dú)的路徑進(jìn)行成像；對于相鄰區(qū)域，通常使用單個物鏡的多光束進(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)_問題，這個問題可以通過事后光源分離方法或時空復(fù)用方法來解決。事后光源分離方法指的是用算法來分離光束消除串?dāng)_；時空復(fù)用方法指的是同時使用多個激發(fā)光束，每個光束的脈沖在時間上延遲，這樣就可以暫時分離被不同光束激發(fā)的單個熒光信號。引入越多路光束就可以對越多的神經(jīng)元進(jìn)行成像，但是多路光束會導(dǎo)致熒光衰減時間的重疊增加，從而限制了區(qū)分信號源的能力；并且多路復(fù)用對電子設(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維持近似單光束的信噪比，這會容易導(dǎo)致組織損傷。從產(chǎn)品類型及技術(shù)方面來看，正置顯微鏡占據(jù)絕大多數(shù)市場。模塊化多光子顯微鏡飛秒激光

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(diǎn)進(jìn)行橫向掃描。美國在體多光子顯微鏡方案多光子顯微鏡將生物打印結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確定位和定向到特定的解剖部位，使其能夠在小鼠組織內(nèi)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

2020年，JianglaiWu等人提出提高2PM橫向掃描速率的裝置，稱為FACED（free-spaceangular-chirp-enhanceddelay）。圓柱透鏡將激光束一維聚焦，會聚角為Δθ。光束進(jìn)入到一對幾乎平行的高反射鏡中，其間距為S，偏角為α。經(jīng)過反射鏡多次反射后，激光脈沖被分成多個傳播方向不同的子脈沖（N=Δθ/α），脈沖間以2S/c的時間延遲（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空間上分離且時間延遲的焦點(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FACED模塊可產(chǎn)生80個脈沖焦點(diǎn)，其脈沖時間間隔為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。

雙光子熒光顯微成像主要有以下優(yōu)點(diǎn)∶a.光損傷小∶雙光子熒光顯微鏡使用可見光或近紅外光作為激發(fā)光，對細(xì)胞和組織的光損傷很小，適合于長時間的研究;b.穿透能力強(qiáng)∶相對于紫外光，可見光或近紅外光具有很強(qiáng)的穿透性，可以對生物樣品進(jìn)行深層次的研究;c．高分辨率∶由于雙光子吸收截面很小P，只有在焦平面很小的區(qū)域內(nèi)可以激發(fā)出熒光，雙光子吸收局限于焦點(diǎn)處的體積約為λ范圍內(nèi);d.漂白區(qū)域很小，焦點(diǎn)以外不發(fā)生漂白現(xiàn)象。e．熒光收集率高。與共聚焦成像相比，雙光子成像不需要光學(xué)濾波器，提高了熒光收集率。收集效率提高直接導(dǎo)致圖像對比度提高。f.對探測光路的要求低。由于激發(fā)光與發(fā)射熒光的波長差值加大以及自發(fā)的三維濾波效果，多光子顯微鏡對光路收集系統(tǒng)的要求比單光子共焦顯微鏡低得多，光學(xué)系統(tǒng)相對簡單。g.適合多標(biāo)記復(fù)合測量。許多染料熒光探針的多光子激發(fā)光譜要比單光子激發(fā)譜寬闊，這樣，可以利用單一波長的激發(fā)光同時激發(fā)多種染料，從而得到同一生命現(xiàn)象中的不同信息，便于相互對照、補(bǔ)充。證實了多光子顯微鏡對皮膚和別的皮膚病的診斷的可行性。

快速光柵掃描有多種實現(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)依賴于遠(yuǎn)程聚焦、SLM和可調(diào)電動透鏡。多光子共聚焦掃描顯微鏡比雙光子共聚焦掃描顯微鏡具有更高的空間分辨率。美國模塊化多光子顯微鏡Ultima Investigator

中國市場多光子顯微鏡進(jìn)出口貿(mào)易趨勢。模塊化多光子顯微鏡飛秒激光

要想實現(xiàn)離散的軸向重新聚焦，需要在OBJ1的焦平面中放置一個階梯鏡（圖3b）。當(dāng)入射激光束被OBJ1聚焦到的焦平面恰好與階梯重合時，被反射的激光將在無窮大的空間中成為準(zhǔn)直光束，并在OBJ2的焦平面上形成激光光斑。并且返回的激光束會被GSM消除橫向掃描，即OBJ2形成的焦點(diǎn)不會進(jìn)行橫向掃描，實現(xiàn)軸向掃描。如果激光點(diǎn)被掃描到與焦平面不一致的階梯，則會形成遠(yuǎn)離鏡面的激光焦點(diǎn)，返回的激光束會在無窮大的空間中會聚或發(fā)散，進(jìn)而導(dǎo)致由OBJ2形成的激光焦點(diǎn)也在軸向重新聚焦，通過這種方式即能實現(xiàn)離散的軸向掃描。對于已精確匹配兩個物鏡光瞳的光學(xué)裝置，不會引入像差。為了進(jìn)行連續(xù)的軸向重新聚焦，將階梯鏡替換為稍微傾斜的平面鏡，同時入射的激光焦點(diǎn)也需要被傾斜，使得其以垂直于鏡面的方向入射，通過相對入射激光束稍微平移OBJ1即可實現(xiàn)這種傾斜。模塊化多光子顯微鏡飛秒激光