隨著現(xiàn)代分子生物學技術的快速發(fā)展和科學技術的進步，特別是后基因組時代的到來，人們已經(jīng)能夠根據(jù)需要建立各種細胞模型，這為在體內研究基因表達、分子間相互作用、細胞增殖、細胞信號轉導、誘導分化、細胞凋亡和新生血管生成提供了良好的生物學條件。然而，盡管利用現(xiàn)有的分子生物學方法對基因表達與蛋白質的相互作用進行了深入細致的研究，但仍然無法實現(xiàn)對蛋白質和基因活性的實時動態(tài)監(jiān)測。在細胞的生理過程中，基因尤其是蛋白質的表達、修飾和相互作用往往是可逆的、動態(tài)變化的。目前，分子生物學方法無法捕捉到蛋白質和基因的這些變化，但獲得這些信息對于研究基因表達與蛋白質的相互作用非常重要。因此，有必要發(fā)展一種動態(tài)、實時、連續(xù)監(jiān)測蛋白質和基因活性的方法。多光子顯微鏡已經(jīng)被生物學家普遍的運用于實驗中。高速高分辨率多光子顯微鏡數(shù)據(jù)采集
多光子顯微鏡成像深度深、對比度高，在生物成像中具有重要意義，但通常需要較高的功率。結合時間傳播的超短脈沖可以實現(xiàn)超快的掃描速度和較深的成像深度，但近紅外波段的光本身會導致分辨率較低。基于多光子上轉換材料和時間編碼結構光顯微鏡的高速超分辨成像系統(tǒng)(MUTE-SIM)是由清華大學教授和北京大學彭研究員合作開發(fā)的?？蓪崿F(xiàn)50MHz的超高掃描速度，突破衍射極限，實現(xiàn)超分辨率成像。與普通熒光顯微鏡相比，該顯微鏡經(jīng)過改進，只需要較低的激發(fā)功率。這種超快、低功耗、多光子超分辨率技術在高分辨率生物深層組織成像中具有長遠的應用前景。全自動多光子顯微鏡成像精度從雙光子到三光子甚至四光子，這種非線性成像技術通常也被統(tǒng)稱為多光子顯微鏡。
多束掃描技術可以同時對神經(jīng)元組織的不同位置進行成像。該技術:對于兩個遠程成像位置(相距1-2mm以上)，通常采用兩個**的路徑進行成像；對于相鄰區(qū)域，通常使用單個物鏡的多個光束進行成像。多光束掃描技術必須特別注意激發(fā)光束之間的串擾，這可以通過事后光源分離或時空復用來解決。事后光源分離法是指分離光束以消除串擾的算法；時空復用法是指同時使用多個激發(fā)光束，每個光束的脈沖在時間上被延遲，使不同光束激發(fā)的單個熒光信號可以暫時分離。引入的光束越多，可以成像的神經(jīng)元越多，但多束會導致熒光衰減時間重疊增加，從而限制了分辨信號源的能力；并且復用對電子設備的工作速度要求很高；大量的光束也需要較高的激光功率來維持單束的信噪比，這樣容易導致組織損傷。
快速光柵掃描有多種實現(xiàn)方式，使用振鏡進行快速2D掃描，將振鏡和可調電動透鏡結合在一起進行快速3D掃描，但可調電動透鏡由于機械慣性的限制在軸向無法快速進行焦點切換，影響成像速度，現(xiàn)可使用空間光調制器（SLM）代替。遠程聚焦也是一種實現(xiàn)3D成像的手段，如圖2所示。在LSU模塊中，掃描振鏡進行橫向掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過調控M的位置實現(xiàn)軸向掃描。該技術不僅可以校正主物鏡L2引入的光學像差，還可以進行快速的軸向掃描。想要獲得更多神經(jīng)元成像，可以通過調整顯微鏡的物鏡設計來擴大FOV，但是具有大NA和大FOV的物鏡通常重量較大，無法快速移動以進行快速軸向掃描，因此大型FOV系統(tǒng)需要依賴于遠程聚焦、SLM和可調電動透鏡。雙光子共聚焦顯微鏡比單光子共聚焦顯微鏡具有更亮的橫向分辨率和縱向分辨率。
多光子顯微鏡因擁有較深的成像深度，和較高的對比度在生物成像中有著重要的意義，但是它通常需要較高的功率。結合時間上展開的超短脈沖可以實現(xiàn)超快的掃描速度和較深的成像深度，但是其本身所利用的近紅外波段的光會導致分辨率較低。清華大學陳宏偉教授和北京大學席鵬研究員合作研究，結合了結構光成像和上轉化粒子，開發(fā)了一種基于多光子上轉化材料和時間編碼結構光顯微鏡的高速超分辨成像系統(tǒng)(MUTE-SIM)。它可以實現(xiàn)50MHz的超高的掃描速度，并突破了衍射極限，實現(xiàn)了超分辨成像。相較于普通的熒光顯微鏡，該顯微鏡提升了，并且只需要較低的激發(fā)功率。這種超快、低功率、多光子的超分辨技術，在分辨率高的生物深層組織成像上有著長遠的應用前景。世界多光子激光掃描顯微鏡產(chǎn)業(yè)主要布局在德國和日本，德國是徠卡顯微系統(tǒng)和蔡司。美國bruker多光子顯微鏡代理商
全球多光子顯微鏡主要消費地區(qū)分析，包括消費量及份額等。高速高分辨率多光子顯微鏡數(shù)據(jù)采集
細胞在受到外界刺激時，隨著刺激時間的增長，即使刺激繼續(xù)存在，Ca2+熒光信號不但不會繼續(xù)增強，反而會減弱，直至恢復到未加刺激物時的水平。對于細胞受精過程中Ca2+熒光信號的變化情況，研究發(fā)現(xiàn)，配了在粘著過程中，Ca2+熒光信號未發(fā)生任何變化，而配子之間發(fā)生融合作用時，Ca2+熒光信號強度卻會出現(xiàn)一個不穩(wěn)定的峰值，并可持續(xù)幾分鐘。這些現(xiàn)象，對研究受精發(fā)育的早期信號及Ca2+在卵細胞和受精卵的發(fā)育過程中的作用具有重要的意義。在其它一些生理過程如細胞分裂、胞吐作用等，Ca2+熒光信號強度也會發(fā)生很強的變化。高速高分辨率多光子顯微鏡數(shù)據(jù)采集
