生物樣品的三維觀察是了解細胞功能的重要方法之一。目前已有的三維熒光成像技術(shù)有光學顯微鏡、點陣照明和激光掃描顯微鏡(如共焦顯微鏡和雙光子顯微鏡)。其中，激光掃描顯微鏡利用轉(zhuǎn)盤可以進行多焦點激光掃描，提高了時間分辨率，有利于減少活細胞成像中的光損傷。本文主要實現(xiàn)可見光雙光子激發(fā)和多焦點激光掃描的結(jié)合，**終提高三維延遲掃描中的空間分辨率和成像對比度，這也是可見光雙光子激發(fā)(v2PE)在超高分辨率顯微鏡中的應用。雙光子顯微鏡能夠在細胞甚至是亞細胞水平上對神經(jīng)細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、離子濃度、細胞運動、進行直接成像監(jiān)測。美國激光熒光雙光子顯微鏡
隨著技術(shù)的發(fā)展，雙光子顯微鏡的性能得到不斷地優(yōu)化，結(jié)合它的特點，大致可以分成深和活兩方面的提升。要想讓激發(fā)激光進入更深的層面，大致可從兩個方面入手，裝置優(yōu)化與標本改造。關(guān)于裝置優(yōu)化，我們可以把激光束變得更細，使能量更加集中，就能讓激光穿透更深。關(guān)于標本，其中影響光傳播的主要是物質(zhì)吸收和散射，解決這個問題，我們需要對樣本進行透明化處理。一種方法是運用某種物質(zhì)將標本浸泡，使其中的物質(zhì)（主要是脂質(zhì)）被破壞或溶解。另一種方法是運用電泳將脂質(zhì)電解，讓標本“透明度”提高。國內(nèi)激光熒光雙光子顯微鏡的原理微型雙光子顯微鏡的優(yōu)勢是。
其實電子顯微鏡相比于光學顯微鏡的重要優(yōu)勢或者存在的比較大意義，準確的來說，不在于放大倍數(shù)，而在于超高的分辨率。這兩者是不同的。通俗的來說，就是進行觀察的時候，除了要將物體放大，還需要能將它與相鄰的其他物體分辨開來。如果兩個相鄰微粒的圖像在光學顯微鏡下，即使放大到很大，看到的可能卻是兩個相交的亮斑（艾里斑），而沒有明顯的界限（更不用說細節(jié)了），這表示是分辨率不夠。拋開分辨率談放大倍數(shù)是沒有意義的。光學顯微鏡的分辨率極限是阿貝極限，約等于光波波長的一半，通常被說成是光學顯微鏡放大極限，其實準確地來說，應該叫做分辨率的極限。而其產(chǎn)生的原因是光的衍射，根本原因是光的波粒二象性。電子衍射實驗證明了電子的波動性，于是用電子代替光的電子顯微鏡成為可能。電子顯微鏡也有多種，題主說的是像REM的。電鏡也存在用衍射規(guī)則觀察的，比如低能電子衍射（LEED）和透射電鏡（TEM）。兩者主要用于觀察晶體，根據(jù)其周期性的特點而生成倒易空間里的衍射圖像，借助elward球或者傅里葉變換就可以轉(zhuǎn)換到實空間，得到真正的晶體表面圖像了。
雙光子顯微鏡(2PM)可以對鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器進行亞細胞分辨率的成像，從而測量不透明腦深部的活動。成像膜的電壓變化可以直接反映神經(jīng)元的活動，但神經(jīng)元活動的速度對于常規(guī)的2PM來說太快了。目前，電壓成像主要由寬視場顯微鏡實現(xiàn)，但其空間分辨率較差，且只能在淺深度成像。因此，為了以高空間分辨率成像不透明腦中膜電壓的變化，需要將成像速率提高2PM。面向模塊輸出端的子脈沖序列可視為從虛擬光源陣列發(fā)出的光，這些子脈沖在中繼到顯微鏡物鏡后形成空間分離和時間延遲的聚焦陣列。然后，該模塊被集成到一個帶有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標準雙光子熒光顯微鏡中，如圖2所示。光源是重復頻率為1MHz的920nm激光器。FACED模塊可以產(chǎn)生80個脈沖焦點，脈沖時間間隔為2ns。這些焦點是虛擬源的圖像。虛光源越遠，物鏡處的光束尺寸越大，焦點越小。光束可以沿Y軸比沿X軸更好地填充物鏡，從而在X軸上產(chǎn)生0.82m和0.35m的橫向分辨率。雙光子顯微鏡只有焦平面處才能形成雙光子吸收，而焦平面之外由于光強低無法被發(fā)動，所以雙光子成像更清晰。
目前，腦科學的研究在全球范圍內(nèi)如火如荼，中國的腦計劃也即將啟動。其中，全景式分析腦連接圖和功能動態(tài)圖的研究成為重點研究方向，如何打破尺度壁壘，將微觀神經(jīng)元和突觸的信息處理和個體行為信息與全腦融合，是該領域亟待解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。2021年1月6日，由北京大學分子醫(yī)學研究所牽頭，北京大學信息科學與技術(shù)學院電子系、工程學院和中國人民醫(yī)學科學院組成的跨學科團隊在NatureMethods上在線發(fā)表了一篇題為《大視場、多平面、長程腦成像的微型雙光子拷貝》的文章。本文報道了第二代小型化雙光子熒光顯微鏡FHIRM-TPM2.0。其成像視場是團隊2017年發(fā)布的第1代小型化顯微鏡的7.8倍。同時具有三維成像能力，獲得了小鼠自由運動行為時大腦三維區(qū)域數(shù)千個神經(jīng)元清晰穩(wěn)定的動態(tài)功能圖像，實現(xiàn)了對同一批次神經(jīng)元一個月的跟蹤記錄。如果已經(jīng)有了飛秒光，就可以幾套雙光子顯微鏡共享一臺，只需分光即可。investigator雙光子顯微鏡供應商
雙光子顯微鏡使用長波長脈沖光，是通過物鏡匯聚的。美國激光熒光雙光子顯微鏡
WinfriedDenk使用的第1個光源是染料飛秒激光(脈沖寬度100fs，可見光波長630nm)。染料激光雖然實驗室演示可以接受，但是使用起來不方便，所以離商業(yè)化還很遠。很快雙光子顯微鏡的標準光源變成了飛秒鈦寶石激光器。鈦寶石激光器除了具有固態(tài)光源的優(yōu)點外，還具有近紅外波長調(diào)諧范圍寬，而近紅外比可見光穿透更深，對生物樣品的損傷更小。下圖是Thorlabs的雙光子和三光子顯微鏡配置，鈦寶石飛秒可調(diào)諧激光器位于平臺左側(cè)。從雙光子到三光子科學家們正在從雙光子顯微鏡轉(zhuǎn)向三光子顯微鏡。1996年，ChrisXu在康奈爾大學(Denk的導師實驗室)讀博時發(fā)明了三光子顯微鏡。如果雙光子吸收是可行的，那么三光子似乎是自然的發(fā)展方向。三光子成像使用更長的波長，大約1.3和1.7微米，成像深度比雙光子更深。目前錄音大約2.2毫米，人的大腦皮層厚度大約4毫米。與雙光子顯微鏡相比，三光子需要使用更強、更短、重復率更低的激光脈沖，這是傳統(tǒng)的鈦寶石激光器很難滿足的，但對于摻鐿光纖飛秒光參量放大器，比如我們的Y-Fi光參量放大器(OPA)就非常容易。美國激光熒光雙光子顯微鏡
