美國(guó)嚙齒類多光子顯微鏡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(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(dòng)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(dòng)透鏡。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。美國(guó)嚙齒類多光子顯微鏡Ultima Investigator

多光子激發(fā)在紫外成像的優(yōu)勢(shì)在可見光脈沖中能得到紫外衍射的顯微觀察像。即使不使用紫外域光源、光學(xué)元件用可見光源、光學(xué)元件就能得到紫外光激勵(lì)的高空間分辨率圖像。多光子在生物成像中的優(yōu)勢(shì)在生物顯微鏡觀察方面，較早考慮的是不損壞生物本身的活性狀態(tài)，維持水分、離子濃度、氧和養(yǎng)分的流通。在光觀察場(chǎng)合，無論是熱還是光子能量方面都必須停留在細(xì)胞不受損傷的照射量、光能量?jī)?nèi)。多光子顯微鏡則能夠滿足此，而且還具有很多優(yōu)點(diǎn)。如三維分辨率、深度侵入、在散射效率、背景光、信噪比、控制等方面，均有以往激光顯微鏡不具備，或具有無法比擬的超越特性。美國(guó)嚙齒類多光子顯微鏡系統(tǒng)使用雙光子顯微鏡觀察標(biāo)本的時(shí)候，只有在焦平面上才有光漂白和光毒性。

多光子激發(fā)的特點(diǎn)。激發(fā)波長(zhǎng)∶兩個(gè)或多個(gè)光子同時(shí)激發(fā)，激發(fā)波長(zhǎng)是單光子激發(fā)波長(zhǎng)的兩倍或多倍（i.e.紅光能激發(fā)UV探針）。多光子激發(fā)∶依賴于多個(gè)光子同時(shí)到達(dá)的時(shí)間。使用脈沖飛秒激光器（i.e.10-16 seconds），且能提供更高的峰值功率。熒光限制在焦點(diǎn)處，能滿足多個(gè)光子同時(shí)達(dá)到產(chǎn)生多光子吸收。熒光強(qiáng)度正比于（激光強(qiáng)度）n。為什么使用飛秒激光器?多光子激發(fā)需要超快的激光器，皮秒脈沖不能實(shí)現(xiàn)三光子激發(fā)。深度成像需要更高、更窄脈沖輸出功率。多光子激發(fā)光源處于近紅外區(qū)，對(duì)細(xì)胞毒性和光漂白更小。

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(shí)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(dòng)會(huì)限制軸向掃描速度，ETL會(huì)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(jì)，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(jì)有兩種實(shí)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(gè)垂直臂組成，每個(gè)臂中都有一個(gè)4F望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)物鏡。遠(yuǎn)程聚焦臂包含一個(gè)檢流掃描鏡（GSM）和一個(gè)空氣物鏡（OBJ1），另一個(gè)臂（稱為照明臂）由一個(gè)水浸物鏡（OBJ2）構(gòu)成。將這兩個(gè)臂對(duì)齊，以使GSM與兩個(gè)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(duì)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。多光子顯微鏡的大多數(shù)補(bǔ)償器都采用棱鏡。

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(duì)細(xì)胞和組織的光損傷很小，適合于長(zhǎng)時(shí)間的研究;b.穿透能力強(qiáng)∶相對(duì)于紫外光，可見光或近紅外光具有很強(qiáng)的穿透性，可以對(duì)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(duì)比度提高。f.對(duì)探測(cè)光路的要求低。由于激發(fā)光與發(fā)射熒光的波長(zhǎng)差值加大以及自發(fā)的三維濾波效果，多光子顯微鏡對(duì)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(duì)簡(jiǎn)單。g.適合多標(biāo)記復(fù)合測(cè)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(zhǎng)的激發(fā)光同時(shí)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(duì)照、補(bǔ)充。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(zhǎng)。美國(guó)布魯克多光子顯微鏡長(zhǎng)時(shí)間觀察

多光子顯微鏡的分辨率比傳統(tǒng)的單光子共聚焦要低的多。美國(guó)嚙齒類多光子顯微鏡Ultima Investigator

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(dòng)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(cè)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(duì)這-一一科學(xué)問題的研究不僅有助于闡明生命活動(dòng)的基本規(guī)律、認(rèn)識(shí)疾病的發(fā)展規(guī)律，而且對(duì)創(chuàng)新藥物研究、藥物療效評(píng)價(jià)以及發(fā)展疾病早期診斷技術(shù)等產(chǎn)生重大影響。美國(guó)嚙齒類多光子顯微鏡Ultima Investigator