共聚焦多光子顯微鏡Ultima Investigator

    繼首代小型化雙光子顯微鏡在國際上獲得小鼠自由行為過程中大腦神經(jīng)元和突觸的動態(tài)圖像后，我們成功研制了第二代小型化雙光子顯微鏡。它具有更大的成像視野和三維成像能力，可以清晰穩(wěn)定地對自由活動小鼠三維腦區(qū)的數(shù)千個神經(jīng)元進行成像，實現(xiàn)對同一批神經(jīng)元的一個月追蹤記錄。通過對微光學系統(tǒng)的重新設(shè)計系統(tǒng)的。微物鏡工作距離延長至1mm，實現(xiàn)無創(chuàng)成像。內(nèi)嵌可拆卸的快速軸向掃描模塊，可采集深度180微米的3D體成像和多平面快速切換的實時成像。該掃描模塊由一個快速的電動變焦透鏡和一對中繼透鏡組成，在不同深度成像時可保持放大倍率恒定。其變焦模塊重量，研究人員可根據(jù)實驗需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探頭可整體即時拔插，極大地簡化了實驗操作，避免了長周期實驗時對動物的干擾。在重復裝卸探頭同一批神經(jīng)元時，視場旋轉(zhuǎn)角小于，邊界偏差小于35微米。 多光子顯微鏡技術(shù)是對完整組織進行深層熒光成像的優(yōu)先技術(shù)。共聚焦多光子顯微鏡Ultima Investigator

多光子顯微鏡對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焦平面之前易被樣品吸收而衰減，不易對深層激發(fā)。多光子熒光成像的特點。深度成像∶與共聚焦相比能更好地對厚散射物質(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，熒光測定的信噪比更高。觀察活細胞∶離子測量（i.e.Ca2+），GFP，發(fā)育生物學等—減少了光毒性和光漂白，能對細胞長時間觀察。美國熒光多光子顯微鏡成像區(qū)域多光子顯微鏡的成熟的深部組織成像技術(shù)中。還有其他類型的圖像對比提供有關(guān)樣本的有價值信息。

對兩個遠距離（相距大于1-2 mm）的成像部位，通常使用兩條單獨的路徑進行成像；對于相鄰區(qū)域，通常使用單個物鏡的多光束進行成像。多光束掃描技術(shù)必須特別注意激發(fā)光束之間的串擾問題，這個問題可以通過事后光源分離方法或時空復用方法來解決。事后光源分離方法指的是用算法來分離光束消除串擾；時空復用方法指的是同時使用多個激發(fā)光束，每個光束的脈沖在時間上延遲，這樣就可以暫時分離被不同光束激發(fā)的單個熒光信號。引入越多路光束就可以對越多的神經(jīng)元進行成像，但是多路光束會導致熒光衰減時間的重疊增加，從而限制了區(qū)分信號源的能力；并且多路復用對電子設(shè)備的工作速率有很高的要求；大量的光束也需要更高的激光功率來維持近似單光束的信噪比，這會容易導致組織損傷。

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的照明光能引入樣品的高頻信息，當結(jié)構(gòu)光的空間頻率足夠高時，只有靠近焦面的部分才能被結(jié)構(gòu)光調(diào)制，超出這一區(qū)域，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蛘彰?，也就是只有焦面附近的有限區(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。多光子顯微鏡在基礎(chǔ)科學和臨床診斷領(lǐng)域的應用范圍正在持續(xù)增長。

單光子激發(fā)熒光的過程，就是熒光分子吸收一個光子，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，躍遷以后，能量較大的激發(fā)態(tài)分子，通過內(nèi)轉(zhuǎn)換把部分能量轉(zhuǎn)移給周圍的分子，自己回到比較低電子激發(fā)態(tài)的比較低振動能級。處于比較低電子激發(fā)態(tài)的比較低振動能級的分子的平均壽命大約在 10s 左右。這時它不是通過內(nèi)轉(zhuǎn)換的方式來消耗能量，回到基態(tài)，而是通過發(fā)射出相應的光量子來釋放能量，回到基態(tài)的各個不同的振動能級時，就發(fā)射熒光。因為在發(fā)射熒光以前已經(jīng)有一部分能量被消耗，所以發(fā)射的熒光的能量要比吸收的能量小，也就是熒光的特征波長要比吸收的特征波長來的長。多光子顯微鏡已經(jīng)被生物學家普遍的運用于實驗中。靈長類多光子顯微鏡研究

多光子顯微鏡將生物打印結(jié)構(gòu)準確定位和定向到特定的解剖部位，使其能夠在小鼠組織內(nèi)制造復雜結(jié)構(gòu)。共聚焦多光子顯微鏡Ultima Investigator

單束掃描技術(shù)可以高速遍歷大視場（FOV）的神經(jīng)組織：使用MPM對神經(jīng)元進行成像時，通過隨機訪問掃描—即激光束在整個視場上的任意選定點上進行快速掃描—可以只掃描感興趣的神經(jīng)元，這樣不僅避免掃描到任何未標記的神經(jīng)纖維，還可以優(yōu)化激光束的掃描時間。隨機訪問掃描（圖1）可以通過聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）來實現(xiàn)，其原理是將具有一個射頻信號的壓電傳感器粘在合適的晶體上，所產(chǎn)生的聲波引起周期性的折射率光柵，激光束通過光柵時發(fā)生衍射。通過射頻電信號調(diào)控聲波的強度和頻率從而可以改變衍射光的強度和方向，這樣使用1個AOD就可以實現(xiàn)一維橫向的任意點掃描，利用1對AOD，結(jié)合其他軸向掃描技術(shù)可實現(xiàn)3D的隨機訪問掃描。但是該技術(shù)對樣本的運動很敏感，易出現(xiàn)運動偽影。目前，快速光柵掃描即在FOV中進行逐行掃描，由于利用算法可以輕松解決運動偽影而被普遍的使用。共聚焦多光子顯微鏡Ultima Investigator