与传统的单光子宽视野荧光显微镜相比,多光子显微镜(MPM)具有光学切片和深层成像等功能,这两个优势极大地促进了研究者们对于完整大脑深处神经的了解与认识。2019年,JeromeLecoq等人从大脑深处的神经元成像、大量神经元成像、高速神经元成像这三个方面论述了相关的MPM技术。想要将神经元活动与复杂行为联系起来,通常需要对大脑皮质深层的神经元进行成像,这就要求MPM具有深层成像的能力。激发和发射光会被生物组织高度散射和吸收是限制MPM成像深度的主要因素,虽然可以通过增加激光强度来解决散射问题,但这会带来其他问题,例如烧坏样品、离焦和近表面荧光激发。增加MPM成像深度比较好的方法是用更长的波长作为激发光。多光子激光扫描显微镜是建立在激光扫描显微镜技术基础上的实验方法,三维观察上提供更的光学切片能力。布鲁克多光子显微镜
Ca2+是重要的第二信使,对于调节细胞的生理反应具有重要的作用,开发和利用双光子荧光显微成像技术对Ca2+荧光信号进行观测,可以从某些方面对有机体或细胞的变化机制进行分析,具有重要的意义。利用双光子荧光显微成像技术可以观察细胞内用荧光探针标记的Ca2*的时间和空间的荧光图像的变化,还可以观察细胞某一层面或局部的(Ca2+)荧光图像和变化。通过对单细胞的研究发现,Ca2+不仅在细胞局部区域间的分布是不均匀的,而且细胞内各局部区域的不同深度或层次间也存在不同程度的Ca2+梯差即所谓的空间Ca2梯差。美国进口多光子显微镜作用双光子共聚焦显微镜比单光子共聚焦显微镜具有更亮的横向分辨率和纵向分辨率。
在多光子显微镜(也称为非线性或双光子显微镜)中,以两倍正常激发波长照射样品。更长的波长是有利的,因为它们可以更深地穿透样品进行3D成像,并且因为它们不会损坏样品,从而延长样品寿命。为了实现多光子激发,照明光束在空间上聚焦(使用光学器件),同时使用高能短脉冲激发光束以提高两个(或更多)光子同时到达同一位置(即荧光团分子)的概率。多光子显微技术的例子包括二次谐波产生(SHG)、三次谐波产生(THG)、相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)和受激发射耗尽(STED)显微技术。由于这些技术中的每一种都使用脉冲激光器,因此选择能够比较大限度地减少脉冲色散的光学组件很重要,并且激光反射二向色镜应具有低GDD特性。
2020年,JianglaiWu等人提出提高2PM横向扫描速率的装置,称为FACED(free-spaceangular-chirp-enhanceddelay)。圆柱透镜将激光束一维聚焦,会聚角为Δθ。光束进入到一对几乎平行的高反射镜中,其间距为S,偏角为α。经过反射镜多次反射后,激光脉冲被分成多个传播方向不同的子脉冲(N=Δθ/α),脉冲间以2S/c的时间延迟(c,光速)回射。FACED模块输出处的子脉冲序列可以看作从虚拟光源阵列发出的光,这些子脉冲在中继到显微镜物镜后形成了一个空间上分离且时间延迟的焦点阵列。然后将该模块并入具有高速数据采集系统的标准双光子荧光显微镜中。光源是具有1MHz重复频率的920nm的激光器,通过FACED模块可产生80个脉冲焦点,其脉冲时间间隔为2ns。这些焦点是虚拟源的图像,虚拟源越远,物镜处的光束尺寸越大,焦点越小。光束沿y轴比x轴能更好地充满物镜,从而导致x轴的横向分辨率为0.82µm,y轴的横向分辨率为0.35µm。多光子显微镜将生物打印结构准确定位和定向到特定的解剖部位,使其能够在小鼠组织内制造复杂结构。
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。全球多光子显微镜主要厂商基本情况介绍,包括公司简介、多光子显微镜产品型号、产量、产值及动态等。美国共聚焦多光子显微镜暗场成像
证实了多光子显微镜对皮肤和别的皮肤病的诊断的可行性。布鲁克多光子显微镜
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。布鲁克多光子显微镜