美國清醒動物多光子顯微鏡研究

    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。結合時間上展開的超短脈沖可以實現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致分辨率較低。清華大學陳宏偉教授和北京大學席鵬研究員合作研究，結合了結構光成像和上轉化粒子，開發(fā)了一種基于多光子上轉化材料和時間編碼結構光顯微鏡的高速超分辨成像系統(MUTE-SIM)。它可以實現50MHz的超高的掃描速度，并突破了衍射極限，實現了超分辨成像。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，在分辨率高的生物深層組織成像上有著長遠的應用前景。 多光子顯微鏡中，極短的激光脈沖聚焦在樣品上的緊密點上，激發(fā)熒光團產生圖像。美國清醒動物多光子顯微鏡研究

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據采集系統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。全自動多光子顯微鏡數據處理從雙光子到三光子甚至四光子，這種非線性成像技術通常也被統稱為多光子顯微鏡。

多光子激發(fā)的特點。激發(fā)波長∶兩個或多個光子同時激發(fā)，激發(fā)波長是單光子激發(fā)波長的兩倍或多倍（i.e.紅光能激發(fā)UV探針）。多光子激發(fā)∶依賴于多個光子同時到達的時間。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。熒光限制在焦點處，能滿足多個光子同時達到產生多光子吸收。熒光強度正比于（激光強度）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，皮秒脈沖不能實現三光子激發(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)，對細胞毒性和光漂白更小。

對于雙光子（2P）成像而言，離焦和近表面熒光激發(fā)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(fā)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(jiān)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?？焖費PM方法可分為單束掃描技術和多束掃描技術。從產品類型及技術方面來看，正置顯微鏡占據絕大多數市場。

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(fā)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(xù)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。 多光子顯微鏡適用于動物大腦皮層深層（400微米）細胞的形態(tài)、生理學研究。靈長類多光子顯微鏡層析成像

使用雙光子顯微鏡觀察標本的時候，只有在焦平面上才有光漂白和光毒性。美國清醒動物多光子顯微鏡研究

我們要指出的是，單光子激發(fā)熒光和雙光子激發(fā)熒光，是從熒光產生的機理上來區(qū)分的。而共焦則是熒光顯微鏡的一種結構，其目的是為了，通過共焦結構，提高整個熒光顯微鏡的空間分辨率。所以共焦熒光顯微鏡可以根據激發(fā)光源的不同，實現單光子共焦熒光成像或者雙光子共焦熒光成像。往往一個普通的雙光子熒光顯微鏡（沒有共焦結構）其空間分辨率也可以達到單光子共焦熒光顯微鏡的水平。這樣就可以簡化整個系統，相對來說，就提高了激發(fā)光源的利用率，以及熒光的探測效率，這個也是我們提倡雙光子熒光成像的原因之一。雙光子熒光共焦顯微鏡由于雙光子效應和共焦結構，分辨率則會更高，而我們通常說的共焦顯微鏡都是指單光子激發(fā)熒光的。美國清醒動物多光子顯微鏡研究