高速高分辨率多光子顯微鏡研究

   多光子顯微鏡的前景巨大 作為一個(gè)多學(xué)科交叉、知識(shí)密集、資金密集的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，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，是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)和高科技發(fā)展水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。過(guò)去的5年，多光子顯微鏡市場(chǎng)集中，由于投產(chǎn)生產(chǎn)的成本較高，技術(shù)難度大，目前涌現(xiàn)的新企業(yè)不多。顯微鏡作為一個(gè)傳統(tǒng)的高科技行業(yè)，其作用至今沒(méi)有被其他技術(shù)顛覆，只是不斷融合并發(fā)展相關(guān)技術(shù)，在醫(yī)療和其他精密檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著更大的作用。顯微鏡的商業(yè)化發(fā)展已進(jìn)入成熟期，主要需求來(lái)自教學(xué)、生命科學(xué)的研究及精密檢測(cè)等，全球市場(chǎng)呈現(xiàn)平緩的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。然而，**、、顯微鏡產(chǎn)品（如多光子顯微鏡、電子顯微鏡）正拉動(dòng)市場(chǎng)需求，多光子顯微鏡市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮蟆?多光子顯微鏡的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。高速高分辨率多光子顯微鏡研究

從產(chǎn)品類型及技術(shù)方面來(lái)看，正置顯微鏡占據(jù)絕大多數(shù)市場(chǎng)。2020年，全球多光子激光掃描正置顯微鏡市場(chǎng)達(dá)到87.30百萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2027年該部分市場(chǎng)將達(dá)到154.02百萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（2021-2027）為8.48%。中國(guó)多光子激光掃描正置顯微鏡市場(chǎng)達(dá)到13.32百萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2027年該部分市場(chǎng)將達(dá)到25.21百萬(wàn)美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（2021-2027）為9.58%。從產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看，研究機(jī)構(gòu)為主要應(yīng)用領(lǐng)域，2020年約占全球市場(chǎng)46.28%。2020年，全球多光子激光掃描顯微鏡研究機(jī)構(gòu)應(yīng)用消費(fèi)量為174臺(tái)，預(yù)計(jì)2027年達(dá)到349臺(tái)，2021-2027年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為9.72%。高速高分辨率多光子顯微鏡研究多光子顯微鏡是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)和高科技發(fā)展水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和科技的進(jìn)步，特別是隨著后基因組時(shí)代的到來(lái)，人們已經(jīng)能夠根據(jù)需要建立各種細(xì)胞模型，為在體研究基因表達(dá)規(guī)律、分子間的相互作用、細(xì)胞的增殖、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、誘導(dǎo)分化、細(xì)胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物學(xué)條件。然而，盡管人們利用現(xiàn)有的分子生物學(xué)方法，已經(jīng)對(duì)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)之間的相互作用進(jìn)行了深入、細(xì)致的研究，但仍然不能實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)和基因活動(dòng)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在細(xì)胞的生理過(guò)程中，基因、尤其是蛋白質(zhì)的表達(dá)、修飾和相萬(wàn)作用往往發(fā)生可逆的、動(dòng)態(tài)的變化。目前的分子生物學(xué)方法還不能捕獲到蛋白質(zhì)和基因的這些變化，但獲取這些信息對(duì)與研究基因的表達(dá)和蛋白質(zhì)之間的相互作用又至關(guān)重要。因此，發(fā)展能用于、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)和基因活動(dòng)的方法非常必要。

2020年，TonmoyChakraborty等人提出了一種加快2PM軸向掃描速度的方法[2]。在光學(xué)顯微鏡中，物鏡或樣品的緩慢軸向掃描速度限制了體積成像的速度。近年來(lái)，通過(guò)使用遠(yuǎn)程聚焦技術(shù)或電可調(diào)諧透鏡（ETL）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了快速軸向掃描；但是，遠(yuǎn)程聚焦中反射鏡的機(jī)械驅(qū)動(dòng)會(huì)限制軸向掃描速度，ETL會(huì)引入球面像差和更高階像差，從而無(wú)法進(jìn)行高分辨率成像。為了克服這些局限性，該組引入了一種新穎的光學(xué)設(shè)計(jì)，能將橫向掃描轉(zhuǎn)換為可用于高分辨率成像的無(wú)球差的軸向掃描。該設(shè)計(jì)有兩種實(shí)現(xiàn)方式，第一種能夠執(zhí)行離散的軸向掃描，另一種能夠進(jìn)行連續(xù)的軸向掃描。具體裝置如圖3a所示，由兩個(gè)垂直臂組成，每個(gè)臂中都有一個(gè)4F望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)物鏡。遠(yuǎn)程聚焦臂包含一個(gè)檢流掃描鏡（GSM）和一個(gè)空氣物鏡（OBJ1），另一個(gè)臂（稱為照明臂）由一個(gè)水浸物鏡（OBJ2）構(gòu)成。將這兩個(gè)臂對(duì)齊，以使GSM與兩個(gè)物鏡的后焦平面共軛。準(zhǔn)直的激光束被偏振分束器反射到遠(yuǎn)程聚焦臂中，GSM對(duì)其進(jìn)行掃描，進(jìn)而使得OBJ1產(chǎn)生的激光焦點(diǎn)進(jìn)行橫向掃描。雙光子熒光顯微鏡是結(jié)合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新技術(shù)。

光學(xué)成像技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)的結(jié)合為研究上述科學(xué)問(wèn)題提供了條件與可能。因此，在現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，急需發(fā)展新的成像技術(shù)。在動(dòng)物體內(nèi)，如何實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)及蛋白質(zhì)之間相五作用的實(shí)時(shí)在體成像監(jiān)測(cè)是當(dāng)前迫切需要解決的重大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。這是也生物學(xué)、信息科學(xué)（光學(xué)）和基礎(chǔ)臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科共同感興趣的重大問(wèn)題。對(duì)這-一一科學(xué)問(wèn)題的研究不僅有助于闡明生命活動(dòng)的基本規(guī)律、認(rèn)識(shí)疾病的發(fā)展規(guī)律，而且對(duì)創(chuàng)新藥物研究、藥物療效評(píng)價(jià)以及發(fā)展疾病早期診斷技術(shù)等產(chǎn)生重大影響。全球多光子顯微鏡主要消費(fèi)地區(qū)分析，包括消費(fèi)量及份額等。高速高分辨率多光子顯微鏡研究

利用多光子顯微鏡的多點(diǎn)光ji活能力，我們可以研究多個(gè)神經(jīng)細(xì)胞之間的連接和控制。高速高分辨率多光子顯微鏡研究

    繼首代小型化雙光子顯微鏡在國(guó)際上獲得小鼠自由行為過(guò)程中大腦神經(jīng)元和突觸的動(dòng)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(duì)自由活動(dòng)小鼠三維腦區(qū)的數(shù)千個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一批神經(jīng)元的一個(gè)月追蹤記錄。通過(guò)對(duì)微光學(xué)系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的。微物鏡工作距離延長(zhǎng)至1mm，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)時(shí)成像。該掃描模塊由一個(gè)快速的電動(dòng)變焦透鏡和一對(duì)中繼透鏡組成，在不同深度成像時(shí)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(shí)驗(yàn)需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探頭可整體即時(shí)拔插，極大地簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，避免了長(zhǎng)周期實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)動(dòng)物的干擾。在重復(fù)裝卸探頭同一批神經(jīng)元時(shí)，視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角小于，邊界偏差小于35微米。 高速高分辨率多光子顯微鏡研究