美國高速高分辨率多光子顯微鏡單分子成像定位

來源: 發(fā)布時(shí)間:2023-04-30

多光子顯微鏡成像深度深、對(duì)比度高,在生物成像中具有重要意義,但通常需要較高的功率。結(jié)合時(shí)間傳播的超短脈沖可以實(shí)現(xiàn)超快的掃描速度和較深的成像深度,但近紅外波段的光本身會(huì)導(dǎo)致分辨率較低?;诙喙庾由限D(zhuǎn)換材料和時(shí)間編碼結(jié)構(gòu)光顯微鏡的高速超分辨成像系統(tǒng)(MUTE-SIM)是由清華大學(xué)教授和北京大學(xué)彭研究員合作開發(fā)的??蓪?shí)現(xiàn)50MHz的超高掃描速度,突破衍射極限,實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。與普通熒光顯微鏡相比,該顯微鏡經(jīng)過改進(jìn),只需要較低的激發(fā)功率。這種超快、低功耗、多光子超分辨率技術(shù)在高分辨率生物深層組織成像中具有長遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。從雙光子到三光子甚至四光子,這種非線性成像技術(shù)通常也被統(tǒng)稱為多光子顯微鏡。美國高速高分辨率多光子顯微鏡單分子成像定位

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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。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。進(jìn)口多光子顯微鏡作用多光子顯微鏡涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科,生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜,進(jìn)入門檻較高。

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細(xì)胞在受到外界刺激時(shí),隨著刺激時(shí)間的增長,即使刺激繼續(xù)存在,Ca2+熒光信號(hào)不但不會(huì)繼續(xù)增強(qiáng),反而會(huì)減弱,直至恢復(fù)到未加刺激物時(shí)的水平。對(duì)于細(xì)胞受精過程中Ca2+熒光信號(hào)的變化情況,研究發(fā)現(xiàn),配了在粘著過程中,Ca2+熒光信號(hào)未發(fā)生任何變化,而配子之間發(fā)生融合作用時(shí),Ca2+熒光信號(hào)強(qiáng)度卻會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不穩(wěn)定的峰值,并可持續(xù)幾分鐘。這些現(xiàn)象,對(duì)研究受精發(fā)育的早期信號(hào)及Ca2+在卵細(xì)胞和受精卵的發(fā)育過程中的作用具有重要的意義。在其它一些生理過程如細(xì)胞分裂、胞吐作用等等,Ca2+熒光信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的變化。

多光子顯微鏡對(duì)成像深度的改善利用紅光或紅外光激發(fā),光散射?。ㄐ×W拥纳⑸渑c波長的四次方的成反比)。不需要***,能更多收集來自成像截面的散射光子。***不能區(qū)分由離焦區(qū)域或焦點(diǎn)區(qū)發(fā)射出的散射光子,多光子在深層成像信噪比好。單光子激發(fā)所用的紫外或可見光在光束到達(dá)焦平面之前易被樣品吸收而衰減,不易對(duì)深層激發(fā)。多光子熒光成像的特點(diǎn)。深度成像∶與共聚焦相比能更好地對(duì)厚散射物質(zhì)成像。信噪比∶多光子吸收采用的波長是單光子吸收的2倍以上,所以顯微試樣中的瑞利散射更小,熒光測(cè)定的信噪比更高。觀察活細(xì)胞∶離子測(cè)量(i.e.Ca2+),GFP,發(fā)育生物學(xué)等—減少了光毒性和光漂白,能對(duì)細(xì)胞長時(shí)間觀察。OCT可以用于損傷修復(fù)監(jiān)測(cè)。Yeh等用OCT、多光子顯微鏡。

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有許多方法可以實(shí)現(xiàn)快速光柵掃描,例如使用振鏡進(jìn)行快速2D掃描,以及將振鏡與可調(diào)電動(dòng)透鏡相結(jié)合進(jìn)行快速3D掃描。而可調(diào)電動(dòng)式鏡頭由于機(jī)械慣性的限制,無法在軸向快速切換焦點(diǎn),影響成像速度?,F(xiàn)在它可以被空間光調(diào)制器(SLM)取代。遠(yuǎn)程對(duì)焦也是實(shí)現(xiàn)3D成像的一種手段,如圖2所示。LSU模塊中,掃描振鏡水平掃描,ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M,通過調(diào)整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)行快速軸向掃描。為了獲得更多的神經(jīng)元成像,可以通過調(diào)整顯微鏡的物鏡設(shè)計(jì)來放大FOV。然而,大NA和大FOV的物鏡通常很重,不能快速移動(dòng)以進(jìn)行快速軸向掃描,因此大FOV系統(tǒng)依賴于遠(yuǎn)程聚焦、SLM和可調(diào)電動(dòng)透鏡。全球多光子顯微鏡主要廠商基本情況介紹,包括公司簡(jiǎn)介、多光子顯微鏡產(chǎn)品型號(hào)、產(chǎn)量、產(chǎn)值及動(dòng)態(tài)等。美國激光掃描多光子顯微鏡實(shí)驗(yàn)

多光子顯微鏡能提供多種對(duì)比度機(jī)制。美國高速高分辨率多光子顯微鏡單分子成像定位

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(shì)。例如,正電子發(fā)射斷層成像(PET)可實(shí)現(xiàn)對(duì)分子代謝的成像,空間分辨率∶1-2mm,時(shí)間分辨率;分鐘量級(jí)。與PET比較,光學(xué)成像的應(yīng)用場(chǎng)合更廣(可測(cè)量更多的參數(shù),請(qǐng)參見表1-1),且具有更高的時(shí)間分辨率(秒級(jí)),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(cè)量深度方面不及PET,但在測(cè)量參數(shù)種類與時(shí)空分辨率方面有一定優(yōu)勢(shì)。對(duì)于小動(dòng)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(dòng)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(cè)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(shí)在體成像。美國高速高分辨率多光子顯微鏡單分子成像定位

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