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對(duì)于雙光子(2P)成像而言,離焦和近表面熒光激發(fā)是兩個(gè)比較大的深度限制因素,而對(duì)于三光子(3P)成像這兩個(gè)問(wèn)題大大減小,但是三光子成像由于熒光團(tuán)的吸收截面比2P要小得多,所以需要更高數(shù)量級(jí)的脈沖能量才能獲得與2P激發(fā)的相同強(qiáng)度的熒光信號(hào)。功能性3P顯微鏡比結(jié)構(gòu)性3P顯微鏡的要求更高,它需要更快速的掃描,以便及時(shí)采樣神經(jīng)元活動(dòng);需要更高的脈沖能量,以便在每個(gè)像素停留時(shí)間內(nèi)收集足夠的信號(hào)。復(fù)雜的行為通常涉及到大型的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)既具有局部的連接又具有遠(yuǎn)程的連接。要想將神經(jīng)元活動(dòng)與行為聯(lián)系起來(lái),需要同時(shí)監(jiān)控非常龐大且分布普遍的神經(jīng)元的活動(dòng),大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)在幾十毫秒內(nèi)處理傳入的刺激,要想了解這種快速的神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué),就需要MPM具備對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行快速成像的能力??焖費(fèi)PM方法可分為單束掃描技術(shù)和多束掃描技術(shù)。多光子顯微鏡是一款針對(duì)厚樣本進(jìn)行深層成像的利器,特別是在實(shí)驗(yàn)中。美國(guó)清醒動(dòng)物多光子顯微鏡供應(yīng)商
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(huì)聚角為Δθ。光束進(jìn)入到一對(duì)幾乎平行的高反射鏡中,其間距為S,偏角為α。經(jīng)過(guò)反射鏡多次反射后,激光脈沖被分成多個(gè)傳播方向不同的子脈沖(N=Δθ/α),脈沖間以2S/c的時(shí)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(gè)空間上分離且時(shí)間延遲的焦點(diǎn)陣列。然后將該模塊并入具有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)雙光子熒光顯微鏡中。光源是具有1MHz重復(fù)頻率的920nm的激光器,通過(guò)FACED模塊可產(chǎn)生80個(gè)脈沖焦點(diǎn),其脈沖時(shí)間間隔為2ns。這些焦點(diǎn)是虛擬源的圖像,虛擬源越遠(yuǎn),物鏡處的光束尺寸越大,焦點(diǎn)越小。光束沿y軸比x軸能更好地充滿物鏡,從而導(dǎo)致x軸的橫向分辨率為0.82μm,y軸的橫向分辨率為0.35μm。清醒動(dòng)物多光子顯微鏡單分子成像定位多光子顯微鏡將生物打印結(jié)構(gòu)準(zhǔn)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(fù)雜結(jié)構(gòu)。
對(duì)兩個(gè)遠(yuǎn)距離(相距大于1-2mm)的成像部位,通常使用兩條單獨(dú)的路徑進(jìn)行成像;對(duì)于相鄰區(qū)域,通常使用單個(gè)物鏡的多光束進(jìn)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?dāng)_問(wèn)題,這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)事后光源分離方法或時(shí)空復(fù)用方法來(lái)解決。事后光源分離方法指的是用算法來(lái)分離光束消除串?dāng)_;時(shí)空復(fù)用方法指的是同時(shí)使用多個(gè)激發(fā)光束,每個(gè)光束的脈沖在時(shí)間上延遲,這樣就可以暫時(shí)分離被不同光束激發(fā)的單個(gè)熒光信號(hào)。引入越多路光束就可以對(duì)越多的神經(jīng)元進(jìn)行成像,但是多路光束會(huì)導(dǎo)致熒光衰減時(shí)間的重疊增加,從而限制了區(qū)分信號(hào)源的能力;并且多路復(fù)用對(duì)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(lái)維持近似單光束的信噪比,這會(huì)容易導(dǎo)致組織損傷。
Ca2+是重要的第二信使,對(duì)于調(diào)節(jié)細(xì)胞的生理反應(yīng)具有重要的作用,開(kāi)發(fā)和利用雙光子熒光顯微成像技術(shù)對(duì)Ca2+熒光信號(hào)進(jìn)行觀測(cè),可以從某些方面對(duì)有機(jī)體或細(xì)胞的變化機(jī)制進(jìn)行分析,具有重要的意義。利用雙光子熒光顯微成像技術(shù)可以觀察細(xì)胞內(nèi)用熒光探針標(biāo)記的Ca2*的時(shí)間和空間的熒光圖像的變化,還可以觀察細(xì)胞某一層面或局部的(Ca2+)熒光圖像和變化。通過(guò)對(duì)單細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn),Ca2+不僅在細(xì)胞局部區(qū)域間的分布是不均勻的,而且細(xì)胞內(nèi)各局部區(qū)域的不同深度或?qū)哟伍g也存在不同程度的Ca2+梯差即所謂的空間Ca2梯差。多光子顯微鏡,突破光學(xué)成像技術(shù)極限,開(kāi)啟生命科學(xué)新紀(jì)元。
單光子激發(fā)熒光和雙光子激發(fā)熒光,是從熒光產(chǎn)生的機(jī)理上來(lái)區(qū)分的。而共焦則是熒光顯微鏡的一種結(jié)構(gòu),其目的是為了,通過(guò)共焦結(jié)構(gòu),提高整個(gè)熒光顯微鏡的空間分辨率。所以共焦熒光顯微鏡可以根據(jù)激發(fā)光源的不同,實(shí)現(xiàn)單光子共焦熒光成像或者雙光子共焦熒光成像。往往一個(gè)普通的雙光子熒光顯微鏡(沒(méi)有共焦結(jié)構(gòu))其空間分辨率也可以達(dá)到單光子共焦熒光顯微鏡的水平。這樣就可以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng),相對(duì)來(lái)說(shuō),就提高了激發(fā)光源的利用率,以及熒光的探測(cè)效率,這個(gè)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(yīng)和共焦結(jié)構(gòu),分辨率則會(huì)更高,而我們通常說(shuō)的共焦顯微鏡都是指單光子激發(fā)熒光的。雙光子顯微鏡采用長(zhǎng)波長(zhǎng)激發(fā)。美國(guó)清醒動(dòng)物多光子顯微鏡供應(yīng)商
利用多光子顯微鏡的光遺傳學(xué)操作能力,我們可以對(duì)某類神經(jīng)元的ji活和失活進(jìn)行高精度的操作。美國(guó)清醒動(dòng)物多光子顯微鏡供應(yīng)商
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%。美國(guó)清醒動(dòng)物多光子顯微鏡供應(yīng)商