高速高分辨率多光子显微镜方案

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。多光子显微镜作为一种研究微观结构和功能的技术，在众多领域得到了普遍的应用。高速高分辨率多光子显微镜方案

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。美国在体多光子显微镜代理显微镜简史：从光到多光子显微镜。

现代分子生物学技术的迅速发展和科技的进步，特别是随着后基因组时代的到来，人们已经能够根据需要建立各种细胞模型，为在体研究基因表达规律、分子间的相互作用、细胞的增殖、细胞信号转导、诱导分化、细胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物学条件。然而，尽管人们利用现有的分子生物学方法，已经对基因表达和蛋白质之间的相互作用进行了深入、细致的研究，但仍然不能实现对蛋白质和基因活动的实时、动态监测。在细胞的生理过程中，基因、尤其是蛋白质的表达、修饰和相万作用往往发生可逆的、动态的变化。目前的分子生物学方法还不能捕获到蛋白质和基因的这些变化，但获取这些信息对与研究基因的表达和蛋白质之间的相互作用又至关重要。因此，发展能用于、动态、实时、连续监测蛋白质和基因活动的方法非常必要。

作为一个多学科交叉、知识密集、资金密集的高技术产业，多光子显微镜涉及医学、生物学、化学、物理学、电子学、工程学等学科，生产工艺相对复杂，进入门槛较高，是衡量一个国家制造业和高科技发展水平的重要标准之一。过去的5年，多光子显微镜市场集中，由于投产生产的成本较高，技术难度大，目前涌现的新企业不多。显微镜作为一个传统的高科技行业，其作用至今没有被其他技术颠覆，只是不断融合并发展相关技术，在医疗和其他精密检测领域发挥着更大的作用。显微镜的商业化发展已进入成熟期，主要需求来自教学、生命科学的研究及精密检测等，全球市场呈现平缓的增长态势。然而，显微镜产品（如多光子显微镜、电子显微镜）正拉动市场需求，多光子显微镜市场发展潜力巨大。多光子显微镜的分辨率比传统的单光子共聚焦要低的多。

以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实。为什么一般讨论的光电效应都是指单光子光电效应呢？这是因为，在使用普通光源的情况下，电子吸收两个以上光子能量的概率是非常非常小的，几乎为零。事实上，爱因斯坦本人就考虑过在强光下发生光电效应的可能性问题。对此，他有如下的论述：光电效应中的一个电子吸收两个光子的几率不会大于下雨天两个雨滴同事打在一个蚂蚁上的几率。因此，多光子光电效应在实验上的研究成为可能，是二十世纪六十年代激光乃至强激光出现以后的事情。有了激光，对于双光子光电效应，在实验上和理论上均取得了许多成果。利用强激光，人们不仅观察到双光子和三光子的光电效应，甚至观察到金靶材吸收几十个等效光子实验现象。多光子显微镜使用高能量锁模脉冲激光器。美国多光子显微镜实验

双光子显微镜采用长波长激发。高速高分辨率多光子显微镜方案

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。高速高分辨率多光子显微镜方案