激光扫描多光子显微镜技术

对于双光子（2P）成像而言，离焦和近表面荧光激发是两个比较大的深度限制因素，而对于三光子（3P）成像这两个问题大大减小，但是三光子成像由于荧光团的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高数量级的脉冲能量才能获得与2P激发的相同强度的荧光信号。功能性3P显微镜比结构性3P显微镜的要求更高，它需要更快速的扫描，以便及时采样神经元活动；需要更高的脉冲能量，以便在每个像素停留时间内收集足够的信号。复杂的行为通常涉及到大型的大脑神经网络，该网络既具有局部的连接又具有远程的连接。要想将神经元活动与行为联系起来，需要同时监控非常庞大且分布普遍的神经元的活动，大脑中的神经网络会在几十毫秒内处理传入的刺激，要想了解这种快速的神经元动力学，就需要MPM具备对神经元进行快速成像的能力。快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。精确测量细胞结构与功能，多光子显微镜技术走在科技前沿。激光扫描多光子显微镜技术

作为一个多学科交叉、知识密集、资金密集的高技术产业，多光子显微镜涉及医学、生物学、化学、物理学、电子学、工程学等学科，生产工艺相对复杂，进入门槛较高，是衡量一个国家制造业和高科技发展水平的重要标准之一。过去的5年，多光子显微镜市场集中，由于投产生产的成本较高，技术难度大，目前涌现的新企业不多。显微镜作为一个传统的高科技行业，其作用至今没有被其他技术颠覆，只是不断融合并发展相关技术，在医疗和其他精密检测领域发挥着更大的作用。显微镜的商业化发展已进入成熟期，主要需求来自教学、生命科学的研究及精密检测等，全球市场呈现平缓的增长态势。然而，显微镜产品（如多光子显微镜、电子显微镜）正拉动市场需求，多光子显微镜市场发展潜力巨大。进口多光子显微镜技术突破光学成像技术的限制，多光子显微镜为科研工作提供新思路。

2020年，TonmoyChakraborty等人提出了一种加快2PM轴向扫描速度的方法[2]。在光学显微镜中，物镜或样品的缓慢轴向扫描速度限制了体积成像的速度。近年来，通过使用远程聚焦技术或电可调谐透镜（ETL）已经实现了快速轴向扫描；但是，远程聚焦中反射镜的机械驱动会限制轴向扫描速度，ETL会引入球面像差和更高阶像差，从而无法进行高分辨率成像。为了克服这些局限性，该组引入了一种新颖的光学设计，能将横向扫描转换为可用于高分辨率成像的无球差的轴向扫描。该设计有两种实现方式，第一种能够执行离散的轴向扫描，另一种能够进行连续的轴向扫描。具体装置如图3a所示，由两个垂直臂组成，每个臂中都有一个4F望远镜和一个物镜。远程聚焦臂包含一个检流扫描镜（GSM）和一个空气物镜（OBJ1），另一个臂（称为照明臂）由一个水浸物镜（OBJ2）构成。将这两个臂对齐，以使GSM与两个物镜的后焦平面共轭。准直的激光束被偏振分束器反射到远程聚焦臂中，GSM对其进行扫描，进而使得OBJ1产生的激光焦点进行横向扫描。

多束扫描技术可以同时对神经元组织的不同位置进行成像对两个远距离（相距大于1-2mm）的成像部位，通常使用两条单独的路径进行成像；对于相邻区域，通常使用单个物镜的多光束进行成像。多光束扫描技术必须特别注意激发光束之间的串扰问题，这个问题可以通过事后光源分离方法或时空复用方法来解决。事后光源分离方法指的是用算法来分离光束消除串扰；时空复用方法指的是同时使用多个激发光束，每个光束的脉冲在时间上延迟，这样就可以暂时分离被不同光束激发的单个荧光信号。引入越多路光束就可以对越多的神经元进行成像，但是多路光束会导致荧光衰减时间的重叠增加，从而限制了区分信号源的能力；并且多路复用对电子设备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来维持近似单光束的信噪比，这会容易导致组织损伤。多光子显微镜，实现无创、无标记的生物组织观测方案。

当激光光束焦点的位置在镜面上，此时被反射的激光在无限空间中成为准直光束，并在OBJ2的焦平面上形成了一个激光光斑。同理，如果横向扫描光束，则会形成远离倾斜镜镜面的焦点，这又导致返回的光束会聚或发散，进而OBJ2能在轴向不同位置形成焦点，通过这种方式即能实现连续的轴向扫描。对于较小的倾斜角，聚焦没有球差。该组在实验中表征了这种将横向扫描转换为轴向扫描技术的光学性能，并使用它将光片显微镜的成像速度提升了一个数量级，从而可以在三个维度上量化快速的囊泡动力学。该组还演示了使用双光子光栅扫描显微镜以12kHz进行共振远程聚焦，该技术可对大脑组织和斑马鱼心脏动力学进行快速成像，并具有衍射极限的分辨率。多光子显微镜是一款针对厚样本进行深层成像的利器,特别是在实验中。激光扫描多光子显微镜技术

由于光的波长有限，光子显微镜的分辨率受到限制，无法观察到更小的结构和细胞器。激光扫描多光子显微镜技术

现代分子生物学技术的迅速发展和科技的进步，特别是随着后基因组时代的到来，人们已经能够根据需要建立各种细胞模型，为在体研究基因表达规律、分子间的相互作用、细胞的增殖、细胞信号转导、诱导分化、细胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物学条件。然而，尽管人们利用现有的分子生物学方法，已经对基因表达和蛋白质之间的相互作用进行了深入、细致的研究，但仍然不能实现对蛋白质和基因活动的实时、动态监测。在细胞的生理过程中，基因、尤其是蛋白质的表达、修饰和相万作用往往发生可逆的、动态的变化。目前的分子生物学方法还不能捕获到蛋白质和基因的这些变化，但获取这些信息对与研究基因的表达和蛋白质之间的相互作用又至关重要。因此，发展能用于、动态、实时、连续监测蛋白质和基因活动的方法非常必要。激光扫描多光子显微镜技术