高速高分辨率多光子顯微鏡Ultima Investigator

從產(chǎn)品類型及技術方面來看，正置顯微鏡占據(jù)絕大多數(shù)市場。2020年，全球多光子激光掃描正置顯微鏡市場達到87.30百萬美元，預計到2027年該部分市場將達到154.02百萬美元，年復合增長率（2021-2027）為8.48%。中國多光子激光掃描正置顯微鏡市場達到13.32百萬美元，預計到2027年該部分市場將達到25.21百萬美元，年復合增長率（2021-2027）為9.58%。從產(chǎn)品市場應用情況來看，研究機構為主要應用領域，2020年約占全球市場46.28%。2020年，全球多光子激光掃描顯微鏡研究機構應用消費量為174臺，預計2027年達到349臺，2021-2027年復合增長率（CAGR）為9.72%。利用多光子顯微鏡的多點光ji活能力，我們可以研究多個神經(jīng)細胞之間的連接和控制。高速高分辨率多光子顯微鏡Ultima Investigator

現(xiàn)代分子生物學技術的迅速發(fā)展和科技的進步，特別是隨著后基因組時代的到來，人們已經(jīng)能夠根據(jù)需要建立各種細胞模型，為在體研究基因表達規(guī)律、分子間的相互作用、細胞的增殖、細胞信號轉導、誘導分化、細胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物學條件。然而，盡管人們利用現(xiàn)有的分子生物學方法，已經(jīng)對基因表達和蛋白質之間的相互作用進行了深入、細致的研究，但仍然不能實現(xiàn)對蛋白質和基因活動的實時、動態(tài)監(jiān)測。在細胞的生理過程中，基因、尤其是蛋白質的表達、修飾和相萬作用往往發(fā)生可逆的、動態(tài)的變化。目前的分子生物學方法還不能捕獲到蛋白質和基因的這些變化，但獲取這些信息對與研究基因的表達和蛋白質之間的相互作用又至關重要。因此，發(fā)展能用于、動態(tài)、實時、連續(xù)監(jiān)測蛋白質和基因活動的方法是非常有必要的。美國在體多光子顯微鏡Ultima Investigator多光子成像是一種非線性的過程，信號產(chǎn)生要求功率密度達到MW/cm2的量級。

隨著生物分子光學標記技術的不斷進步，光學技術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)學診療提供了更多、更有效的手段。生物醫(yī)學光學（BiomedicalOptics）是近年來受到國際光學界和生物醫(yī)學界關注的研究熱點，在生物活檢、光動力、細胞結構與功能檢測、基因表達規(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行多層面的研究。細胞重大生命活動（包括細胞增殖、分化、凋亡及信號轉導）的發(fā)生和調節(jié)是通過生物大分子間（如蛋白質-蛋白質、蛋白質-核酸等）相互作用來實現(xiàn)的。蛋白質作為基因調控的產(chǎn)物，與細胞和機體生理過程代謝直接相關，深入研究基因表達及蛋白質-蛋白質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)生的分子機理，進而為尋找更有效的藥物分子、提高藥物篩選和藥物設計的效率提供新的方法和思路。

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)的標準雙光子熒光顯微鏡中。光源是具有1MHz重復頻率的920nm的激光器，通過FACED模塊可產(chǎn)生80個脈沖焦點，其脈沖時間間隔為2ns。這些焦點是虛擬源的圖像，虛擬源越遠，物鏡處的光束尺寸越大，焦點越小。光束沿y軸比x軸能更好地充滿物鏡，從而導致x軸的橫向分辨率為0.82μm，y軸的橫向分辨率為0.35μm。多光子顯微鏡是衡量一個國家制造業(yè)和高科技發(fā)展水平的重要標準之一。

根據(jù)阿貝成像原理，許多光學成像系統(tǒng)是一個低通濾波器，物平面包含從低頻到高頻的信息，透鏡口徑會限制高頻信息通過，只允許一定的低頻通過，因此丟失了高頻信息會使成像所得圖像的細節(jié)變模糊，降低分辨率。對于三維成像來說，寬場照明時得到的信息不僅包含物鏡焦平面上樣品的部分信息，同時還包含焦平面外的樣品信息。由于受到焦平面外的信息干擾，常規(guī)熒光顯微鏡無法獲得層析圖像。三維結構光照明顯微鏡能夠提高分辨率、獲得層析圖像，是因為利用特定結構的照明光能引入樣品的高頻信息，當結構光的空間頻率足夠高時，只有靠近焦面的部分才能被結構光調制，超出這一區(qū)域，逐漸轉變?yōu)榫鶆蛘彰鳎簿褪侵挥薪姑娓浇挠邢迏^(qū)域具有相對完整的頻譜信息，離焦后，高頻信息迅速衰減，所以使用高頻結構光照明可以區(qū)分焦面和離焦區(qū)域來獲得層析圖像。然后再通過軸向掃描可以獲取樣品不同深度的焦面圖像，重建樣品的三維結構。多光子激光掃描顯微鏡更能解決生物組織中深層物質的層析成像問題, 擴大了應用范圍。高速高分辨率多光子顯微鏡Ultima Investigator

光子顯微成像技術不是什么新技術，早在20多年前就有了，目前已經(jīng)在生命科學和材料科學中廣泛應用。高速高分辨率多光子顯微鏡Ultima Investigator

快速光柵掃描有多種實現(xiàn)方式，使用振鏡進行快速2D掃描，將振鏡和可調電動透鏡結合在一起進行快速3D掃描，但可調電動透鏡由于機械慣性的限制在軸向無法快速進行焦點切換，影響成像速度，現(xiàn)可使用空間光調制器（SLM）代替。遠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，掃描振鏡進行橫向掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過調控M的位置實現(xiàn)軸向掃描。該技術不僅可以校正主物鏡L2引入的光學像差，還可以進行快速的軸向掃描。想要獲得更多神經(jīng)元成像，可以通過調整顯微鏡的物鏡設計來擴大FOV，但是具有大NA和大FOV的物鏡通常重量較大，無法快速移動以進行快速軸向掃描，因此大型FOV系統(tǒng)依賴于遠程聚焦、SLM和可調電動透鏡。高速高分辨率多光子顯微鏡Ultima Investigator

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