多光子显微镜系统

使用基因编码的荧光探针可以在突触和细胞分辨率下监测体内神经元信号，这是揭示动物神经活动复杂机制的关键。使用双光子显微镜（2PM）可以以亚细胞分辨率对钙离子传感器和谷氨酸传感器成像，从而测量不透明大脑深处的活动；成像膜电压变化能直接反映神经元活动，但神经元活动的速度对于常规的2PM来说太快。目前电压成像主要通过宽场显微镜实现，但它的空间分辨率较差并且于浅层深度。因此要在不透明的大脑中以高空间分辨率对膜电压变化进行成像，需要明显提高2PM的成像速率。与传统的荧光显微镜相比，多光子显微镜具有更好的深度穿透能力和较低光损伤性，可以观察更深层的组织结构。多光子显微镜系统

针对双光子荧光显微镜的特点，从理论上分析双光子成像特点，并搭建一套时间、空间分辨率高，能实时、动态、多参数测量的双光子荧光显微镜系统。具体系统应实现∶（1）能对不同染料的双光子荧光进行探测;（2）用特定染料对样品标记以后，能实现双光子荧光的三维成像;（3）通过实验的研究，改进双光子荧光显微成像系统;（4）在保证成像质量的前提下，简化整个系统，使得实验操作方便、安全。单光子激发荧光的过程，就是荧光分子吸收一个光子，从基态跃迁到激发态，跃迁以后，能量较大的激发态分子，通过内转换把部分能量转移给周围的分子，自己回到比较低电子激发态的比较低振动能级。处于比较低电子激发态的比较低振动能级像在生物医学光学成像研究中显示了较大的优势。而在显微成像中，双光子荧光显微镜凭其独有的优点，成为研究细胞结构和功能检测的重要工具。离体多光子显微镜配置双光子显微镜采用长波长激发。

单束扫描技术可以高速遍历大视场（FOV）的神经组织：使用MPM对神经元进行成像时，通过随机访问扫描—即激光束在整个视场上的任意选定点上进行快速扫描—可以只扫描感兴趣的神经元，这样不仅避免扫描到任何未标记的神经纤维，还可以优化激光束的扫描时间。随机访问扫描（图1）可以通过声光偏转器（AOD）来实现，其原理是将具有一个射频信号的压电传感器粘在合适的晶体上，所产生的声波引起周期性的折射率光栅，激光束通过光栅时发生衍射。通过射频电信号调控声波的强度和频率从而可以改变衍射光的强度和方向，这样使用1个AOD就可以实现一维横向的任意点扫描，利用1对AOD，结合其他轴向扫描技术可实现3D的随机访问扫描。但是该技术对样本的运动很敏感，易出现运动伪影。目前，快速光栅扫描即在FOV中进行逐行扫描，由于利用算法可以轻松解决运动伪影而被普遍的使用。

世界多光子激光扫描显微镜产业主要布局在德国和日本，德国是以徕卡显微系统和蔡司为，而日本以尼康和奥林巴斯公司为，2020年，上述企业占据着世界多光子激光扫描显微镜市场64.44%的市场份额，其发展战略左右着多光子激光扫描显微镜市场的走向。目前世界市场对多光子激光扫描显微镜的需求在增长，中国市场这方面的需求增长更快，未来五年多光子激光扫描显微镜市场的发展在中国将具有很大的发展潜力。国内显微镜制造市场目前断层严重。目前我国显微镜行业发展缺乏技术沉淀，20年以上经营积累的企业十分稀缺，深度精密制造、光学重要部件设计及工艺严重制约产业升级。目前中国显微镜中如多光子显微镜、共聚焦扫描和电子显微镜等主要集中在徕卡显微系统、蔡司、尼康、奥林巴斯等国外企业。国内具备生产显微镜能力的企业屈指可数，若国内显微镜企业能打破技术壁垒，切入显微镜市场，企业的生产经营将腾跃至一个更高的格局。光子显微成像技术不是什么新技术，早在20多年前就有了，目前已经在生命科学和材料科学中广泛应用。

对于双光子(2P)成像，散焦和近表面荧光激发是两个相对较大的深度限制因素，而对于三光子(3P)成像，这两个问题**减少。然而，由于荧光团的吸收截面远小于2P，三光子成像需要更高的脉冲能量才能获得与2P相同激发强度的荧光信号。功能性3P显微镜比结构性3P显微镜要求更高，后者需要更快的扫描速度以便及时采样神经元活动。为了在每个像素的停留时间内收集足够的信号，需要更高的脉冲能量。复杂的行为通常涉及大规模的大脑神经网络，这些网络既有本地连接，也有远程连接。为了将神经元的活动与行为联系起来，需要同时监测***分布的超大型神经元的活动。大脑中的神经网络将在几十毫秒内处理输入的刺激。为了理解这种快速神经元动力学，MPM需要快速成像神经元的能力。快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。多光子显微镜是一种高分辨率的显微镜技术，利用多光子激发荧光的原理来观察生物样品的细胞结构和功能。进口多光子显微镜单分子成像定位

目前主要使用的多光子显微镜包括双光子显微镜和三光子显微镜。多光子显微镜系统

多束扫描技术可以同时对神经元组织的不同位置进行成像对两个远距离（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。多光子显微镜系统