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。显微镜产品正拉动市场需求,多光子显微镜市场发展潜力巨大。清醒动物多光子显微镜作用
从产品类型及技术方面来看,正置显微镜占据绝大多数市场。2020年,全球多光子激光扫描正置显微镜市场达到87.30百万美元,预计到2027年该部分市场将达到154.02百万美元,年复合增长率(2021-2027)为8.48%。中国多光子激光扫描正置显微镜市场达到13.32百万美元,预计到2027年该部分市场将达到25.21百万美元,年复合增长率(2021-2027)为9.58%。从产品市场应用情况来看,研究机构为主要应用领域,2020年约占全球市场46.28%。2020年,全球多光子激光扫描显微镜研究机构应用消费量为174台,预计2027年达到349台,2021-2027年复合增长率(CAGR)为9.72%。在体多光子显微镜Ultima Investigator带宽足以覆盖钛蓝宝石激光器的可调谐范围和用于多光子显微镜的许多其它激光器的典型中心频率。
通过添加FACED模块,可以将基于标准振镜的现有2PM轻松转换为千赫兹成像系统。FACED双光子荧光显微镜遵循光栅扫描,需要很少的计算处理,在稀疏或密集的标记样本中均可以使用,并且不受串扰的影响,而且对整个图像平面采样后可以进行运动校正。实验中没有观察到光损伤的迹象,此外,子脉冲延迟到达相同的样品位置,能为荧光团提供充足的时间使其从易于破坏的暗态返回到基态,可以明显减少光漂白。使用现有的传感器,FACED双光子荧光显微镜可以提供足够的速度和灵敏度来检测神经元过程中的钙瞬变和谷氨酸瞬变,以及来自细胞体的尖峰和亚阈值电压。该组使用基于FACED的2PM显微镜,在小鼠大脑中实现了千赫兹速率的神经活动成像。在物镜平均激光功率为10-85mW下,他们测量了清醒小鼠中V1神经元的自发性和感觉诱发性的超阈值和亚阈值电位活动。
多光子显微镜成像深度深、对比度高,在生物成像中具有重要意义,但通常需要较高的功率。结合时间传播的超短脉冲可以实现超快的扫描速度和较深的成像深度,但近红外波段的光本身会导致分辨率较低。基于多光子上转换材料和时间编码结构光显微镜的高速超分辨成像系统(MUTE-SIM)是由清华大学教授和北京大学彭研究员合作开发的。可实现50MHz的超高扫描速度,突破衍射极限,实现超分辨率成像。与普通荧光显微镜相比,该显微镜经过改进,只需要较低的激发功率。这种超快、低功耗、多光子超分辨率技术在高分辨率生物深层组织成像中具有长远的应用前景。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。
与传统的单光子宽视野荧光显微镜相比,多光子显微镜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。多光子显微镜能提供多种对比度机制。美国全自动多光子显微镜成像深度
多光子显微镜中,极短的激光脉冲聚焦在样品上的紧密点上,激发荧光团产生图像。清醒动物多光子显微镜作用
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、光学主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。未来国产多光子激光扫描显微镜替代空间大。目前中国使用的多光子激光扫描显微镜几乎被徕卡显微系统、蔡司、尼康和奥林巴斯垄断。国内有能力开始生产多光子激光扫描显微镜的企业极少,若国内能够制造出高性能、高可靠性的多光子激光扫描显微镜,无异是会面临极大的市场机遇。清醒动物多光子显微镜作用