美國嚙齒類多光子顯微鏡飛秒激光

    對于雙光子（2P）成像而言，離焦和近表面熒光激發是兩個比較大的深度限制因素，而對于三光子（3P）成像這兩個問題大大減小，但是三光子成像由于熒光團的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高數量級的脈沖能量才能獲得與2P激發的相同強度的熒光信號。功能性3P顯微鏡比結構性3P顯微鏡的要求更高，它需要更快速的掃描，以便及時采樣神經元活動；需要更高的脈沖能量，以便在每個像素停留時間內收集足夠的信號。復雜的行為通常涉及到大型的大腦神經網絡，該網絡既具有局部的連接又具有遠程的連接。要想將神經元活動與行為聯系起來，需要同時監控非常龐大且分布普遍的神經元的活動，大腦中的神經網絡會在幾十毫秒內處理傳入的刺激，要想了解這種快速的神經元動力學，就需要MPM具備對神經元進行快速成像的能力。快速MPM方法可分為單束掃描技術和多束掃描技術。 實現細胞內分子級觀測，多光子顯微鏡開啟生命科學新篇章。美國嚙齒類多光子顯微鏡飛秒激光

2020年，TonmoyChakraborty等人提出了加速2PM軸向掃描速度的方法[2]。在光學顯微鏡中，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，通過使用遠程聚焦技術或電調諧透鏡(ETL)已經實現了快速軸向掃描。但遠程對焦時對反射鏡的機械驅動會限制軸向掃描速度，ETL會引入球差和高階像差，無法進行高分辨率成像。為了克服這些限制，該小組引入了一種新的光學設計，可以將橫向掃描轉換為無球面像差的軸向掃描，以實現高分辨率成像。有兩種方法可以實現這種設計。***個可以執行離散的軸向掃描，另一個可以執行連續的軸向掃描。如圖3a所示，特定裝置由兩個垂直臂組成，每個臂具有4F望遠鏡和物鏡。遠程聚焦臂由振鏡掃描鏡(GSM)和空氣物鏡(OBJ1)組成，另一個臂(稱為照明臂)由浸沒物鏡(OBJ2)組成。兩個臂對齊，使得GSM與兩個物鏡的后焦平面共軛。準直后的激光束經偏振分束器反射進入遠程聚焦臂，由GSM進行掃描，使OBJ1產生的激光焦點可以進行水平掃描。美國模塊化多光子顯微鏡實驗融合光譜技術，多光子顯微鏡實現更豐富的生物組織信息獲取。

Sternand Jean Marx在評論中說：祖家能夠在更為精細的層次研究樹突的功能，這在以前是完全不可能的。新的技術（如腦片的膜片鉗和雙光子顯微使人們對樹突的計算和神經信號處理中的作用有了更好的理解。他們解釋了是樹突模式和形狀多樣性，及其獨特的電、及其獨特的電化學特征使神經元完成了一系列的專門任務。雙光子與共聚焦在發育生物學中的應用雙光子∶每2.5分鐘掃描一次，觀察24小時，發育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦∶每15分鐘掃描一次，觀察8小時后細胞分裂停止，不能發育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦激發時的細胞存活率為多光子系統的10～20%。

當激光光束焦點的位置在鏡面上，此時被反射的激光在無限空間中成為準直光束，并在OBJ2的焦平面上形成了一個激光光斑。同理，如果橫向掃描光束，則會形成遠離傾斜鏡鏡面的焦點，這又導致返回的光束會聚或發散，進而OBJ2能在軸向不同位置形成焦點，通過這種方式即能實現連續的軸向掃描。對于較小的傾斜角，聚焦沒有球差。該組在實驗中表征了這種將橫向掃描轉換為軸向掃描技術的光學性能，并使用它將光片顯微鏡的成像速度提升了一個數量級，從而可以在三個維度上量化快速的囊泡動力學。該組還演示了使用雙光子光柵掃描顯微鏡以12 kHz進行共振遠程聚焦，該技術可對大腦組織和斑馬魚心臟動力學進行快速成像，并具有衍射極限的分辨率。雙光子熒光顯微鏡是結合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發技術的一種新技術。

雙光子熒光顯微成像主要有以下優點:a.光損傷小:雙光子熒光顯微以可見光或近紅外光為激發光，對細胞和組織的光損傷小，適合長期研究；b.穿透力強:與紫外光、可見光或近紅外光相比，穿透力強，可用于生物樣品的深入研究；c.高分辨率:由于雙光子吸收截面很小P，熒光只能在焦平面很小的區域激發，雙光子吸收被限制在焦點λ左右的體積內；d.漂白區域很小，焦點外不發生漂白。E.高熒光收集率與共焦成像相比，雙光子成像不需要濾光片，提高了熒光收集率。采集效率的提高直接導致圖像對比度的提高。F.對探測光路要求低。由于激發光和發射熒光的波長差越來越大，加上自發三維濾波效應，多光子顯微鏡對光路采集系統的要求遠低于單光子共焦顯微鏡，光學系統也相對簡單。G.適用于多標簽復合測量許多染料熒光探針的多光子激發光譜比單光子激發光譜更寬，從而可以用單一波長的激發光同時激發多種染料，獲得同一生命現象的不同信息，便于相互比較和補充。多光子顯微鏡，提高醫學病理診斷的準確性和效率。美國全自動多光子顯微鏡應用

多光子顯微鏡，實現無創、實時、動態的生物組織觀測。美國嚙齒類多光子顯微鏡飛秒激光

要想實現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形成的焦點不會進行橫向掃描，實現軸向掃描。如果激光點被掃描到與焦平面不一致的階梯，則會形成遠離鏡面的激光焦點，返回的激光束會在無窮大的空間中會聚或發散，進而導致由OBJ2形成的激光焦點也在軸向重新聚焦，通過這種方式即能實現離散的軸向掃描。對于已精確匹配兩個物鏡光瞳的光學裝置，不會引入像差。為了進行連續的軸向重新聚焦，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即可實現這種傾斜。美國嚙齒類多光子顯微鏡飛秒激光