Ca2+是一種重要的第二信使，在調(diào)節(jié)細(xì)胞生理反應(yīng)中起著重要作用。發(fā)展和利用雙光子熒光顯微成像技術(shù)觀測Ca2+熒光信號(hào)，可以從某些方面分析生物體或細(xì)胞的變化機(jī)制，具有重要意義。利用雙光子熒光顯微成像技術(shù)，我們可以觀察到細(xì)胞內(nèi)熒光探針標(biāo)記的Ca2*的時(shí)間和空間熒光圖像的變化，也可以觀察到一定水平或部分細(xì)胞內(nèi)(Ca2+)的熒光圖像和變化。通過對(duì)單個(gè)細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，Ca2+的分布不僅在細(xì)胞的局部區(qū)域之間是不均勻的，而且在細(xì)胞內(nèi)不同深度或?qū)哟蔚木植繀^(qū)域之間也存在不同程度的Ca2+梯度，稱為空間Ca2+梯度。高速掃描，高分辨率，多光子顯微鏡助力科研進(jìn)步。在體多光子顯微鏡系統(tǒng)
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，通過使用遠(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。 美國高速高分辨率多光子顯微鏡配置由于雙光子激發(fā)的特性，它可以獲得比傳統(tǒng)顯微鏡更高的分辨率。
繼首代小型化雙光子顯微鏡在國際上獲得小鼠自由行為過程中大腦神經(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至1mm，實(shí)現(xiàn)無創(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，極大地簡化了實(shí)驗(yàn)操作，避免了長周期實(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)，視場旋轉(zhuǎn)角小于，邊界偏差小于35微米。
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。實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)分子級(jí)觀測，多光子顯微鏡開啟生命科學(xué)新篇章。
多束掃描技術(shù)可以同時(shí)對(duì)神經(jīng)元組織的不同位置進(jìn)行成像。該技術(shù):對(duì)于兩個(gè)遠(yuǎn)程成像位置(相距1-2mm以上)，通常采用兩個(gè)**的路徑進(jìn)行成像；對(duì)于相鄰區(qū)域，通常使用單個(gè)物鏡的多個(gè)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)_，這可以通過事后光源分離或時(shí)空復(fù)用來解決。事后光源分離法是指分離光束以消除串?dāng)_的算法；時(shí)空復(fù)用法是指同時(shí)使用多個(gè)激發(fā)光束，每個(gè)光束的脈沖在時(shí)間上被延遲，使不同光束激發(fā)的單個(gè)熒光信號(hào)可以暫時(shí)分離。引入的光束越多，可以成像的神經(jīng)元越多，但多束會(huì)導(dǎo)致熒光衰減時(shí)間重疊增加，從而限制了分辨信號(hào)源的能力；并且復(fù)用對(duì)電子設(shè)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(dǎo)致組織損傷。高速掃描和高分辨率的完美結(jié)合，多光子顯微鏡提高樣品處理速度和精度。進(jìn)口多光子顯微鏡成像分辨率
滔博生物多光子顯微鏡是一種高級(jí)的顯微鏡技術(shù).在體多光子顯微鏡系統(tǒng)
要想實(shí)現(xiàn)離散的軸向重新聚焦，需要在OBJ1的焦平面中放置一個(gè)階梯鏡（圖3b）。當(dāng)入射激光束被OBJ1聚焦到的焦平面恰好與階梯重合時(shí)，被反射的激光將在無窮大的空間中成為準(zhǔn)直光束，并在OBJ2的焦平面上形成激光光斑。并且返回的激光束會(huì)被GSM消除橫向掃描，即OBJ2形成的焦點(diǎn)不會(huì)進(jìn)行橫向掃描，實(shí)現(xiàn)軸向掃描。如果激光點(diǎn)被掃描到與焦平面不一致的階梯，則會(huì)形成遠(yuǎn)離鏡面的激光焦點(diǎn)，返回的激光束會(huì)在無窮大的空間中會(huì)聚或發(fā)散，進(jìn)而導(dǎo)致由OBJ2形成的激光焦點(diǎn)也在軸向重新聚焦，通過這種方式即能實(shí)現(xiàn)離散的軸向掃描。對(duì)于已精確匹配兩個(gè)物鏡光瞳的光學(xué)裝置，不會(huì)引入像差。為了進(jìn)行連續(xù)的軸向重新聚焦，將階梯鏡替換為稍微傾斜的平面鏡，同時(shí)入射的激光焦點(diǎn)也需要被傾斜，使得其以垂直于鏡面的方向入射，通過相對(duì)入射激光束稍微平移OBJ1即可實(shí)現(xiàn)這種傾斜。在體多光子顯微鏡系統(tǒng)
