清醒動物多光子顯微鏡

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)（BiomedicalOptics）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(diǎn)，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(shí)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)。清醒動物多光子顯微鏡

使用MPM對神經(jīng)元進(jìn)行成像時，通過隨機(jī)訪問掃描—即激光束在整個視場上的任意選定點(diǎn)上進(jìn)行快速掃描—可以只掃描感興趣的神經(jīng)元，這樣不僅避免掃描到任何未標(biāo)記的神經(jīng)纖維，還可以優(yōu)化激光束的掃描時間。隨機(jī)訪問掃描可以通過聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）來實(shí)現(xiàn)，其原理是將具有一個射頻信號的壓電傳感器粘在合適的晶體上，所產(chǎn)生的聲波引起周期性的折射率光柵，激光束通過光柵時發(fā)生衍射。通過射頻電信號調(diào)控聲波的強(qiáng)度和頻率從而可以改變衍射光的強(qiáng)度和方向，這樣使用1個AOD就可以實(shí)現(xiàn)一維橫向的任意點(diǎn)掃描，利用1對AOD，結(jié)合其他軸向掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)3D的隨機(jī)訪問掃描。但是該技術(shù)對樣本的運(yùn)動很敏感，易出現(xiàn)運(yùn)動偽影。目前，快速光柵掃描即在FOV中進(jìn)行逐行掃描，由于利用算法可以輕松解決運(yùn)動偽影而被普遍的使用。美國清醒動物多光子顯微鏡三維分辨率多光子激光掃描顯微鏡已經(jīng)成為了一個活躍且多產(chǎn)的領(lǐng)域。

    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(shí)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(shí)現(xiàn)50MHz的超高的掃描速度，并突破了衍射極限，實(shí)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。

比較兩表格中的相關(guān)參數(shù)可以看出，基于分子光學(xué)標(biāo)記的成像技術(shù)已經(jīng)在生物活檢和基因表達(dá)規(guī)律方面展示了較大的優(yōu)勢。例如，正電子發(fā)射斷層成像（PET）可實(shí)現(xiàn)對分子代謝的成像，空間分辨率∶1-2mm，時間分辨率;分鐘量級。與PET比較，光學(xué)成像的應(yīng)用場合更廣（可測量更多的參數(shù)，請參見表1-1），且具有更高的時間分辨率（秒級），空間分辨率可達(dá)到微米。因此，二者相比，雖然光學(xué)成像在測量深度方面不及PET，但在測量參數(shù)種類與時空分辨率方面有一定優(yōu)勢。對于小動物（如小白鼠）研究來說，光學(xué)成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)小動物整體成像和在體基因表達(dá)成像。例如，初步研究表明，熒光介導(dǎo)層析成像可達(dá)到近10cm的測量深度;基于多光子激發(fā)的顯微成像技術(shù)可望實(shí)現(xiàn)小鼠體內(nèi)基因表達(dá)的實(shí)時在體成像。多光子顯微鏡在基礎(chǔ)科學(xué)和臨床診斷領(lǐng)域的應(yīng)用范圍正在持續(xù)增長。

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(shí)驗(yàn)證實(shí)。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?yàn)?，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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。多光子顯微鏡的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。布魯克多光子顯微鏡三維分辨率

中國市場多光子顯微鏡產(chǎn)量、消費(fèi)量、進(jìn)出口分析及未來趨勢。清醒動物多光子顯微鏡

單束掃描技術(shù)可以高速遍歷大視場（FOV）的神經(jīng)組織：使用MPM對神經(jīng)元進(jìn)行成像時，通過隨機(jī)訪問掃描—即激光束在整個視場上的任意選定點(diǎn)上進(jìn)行快速掃描—可以只掃描感興趣的神經(jīng)元，這樣不僅避免掃描到任何未標(biāo)記的神經(jīng)纖維，還可以優(yōu)化激光束的掃描時間。隨機(jī)訪問掃描（圖1）可以通過聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）來實(shí)現(xiàn)，其原理是將具有一個射頻信號的壓電傳感器粘在合適的晶體上，所產(chǎn)生的聲波引起周期性的折射率光柵，激光束通過光柵時發(fā)生衍射。通過射頻電信號調(diào)控聲波的強(qiáng)度和頻率從而可以改變衍射光的強(qiáng)度和方向，這樣使用1個AOD就可以實(shí)現(xiàn)一維橫向的任意點(diǎn)掃描，利用1對AOD，結(jié)合其他軸向掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)3D的隨機(jī)訪問掃描。但是該技術(shù)對樣本的運(yùn)動很敏感，易出現(xiàn)運(yùn)動偽影。目前，快速光柵掃描即在FOV中進(jìn)行逐行掃描，由于利用算法可以輕松解決運(yùn)動偽影而被普遍的使用。清醒動物多光子顯微鏡