根據阿貝成像原理，許多光學成像系統是一個低通濾波器，物平面包含從低頻到高頻的信息，透鏡口徑會限制高頻信息通過，只允許一定的低頻通過，因此丟失了高頻信息會使成像所得圖像的細節變模糊，降低分辨率。對于三維成像來說，寬場照明時得到的信息不僅包含物鏡焦平面上樣品的部分信息，同時還包含焦平面外的樣品信息。由于受到焦平面外的信息干擾，常規熒光顯微鏡無法獲得層析圖像。三維結構光照明顯微鏡能夠提高分辨率、獲得層析圖像，是因為利用特定結構的照明光能引入樣品的高頻信息，當結構光的空間頻率足夠高時，只有靠近焦面的部分才能被結構光調制，超出這一區域，逐漸轉變為均勻照明，也就是只有焦面附近的有限區域具有相對完整的頻譜信...

當激光光束焦點的位置在鏡面上，此時被反射的激光在無限空間中成為準直光束，并在OBJ2的焦平面上形成了一個激光光斑。同理，如果橫向掃描光束，則會形成遠離傾斜鏡鏡面的焦點，這又導致返回的光束會聚或發散，進而OBJ2能在軸向不同位置形成焦點，通過這種方式即能實現連續的軸向掃描。對于較小的傾斜角，聚焦沒有球差。該組在實驗中表征了這種將橫向掃描轉換為軸向掃描技術的光學性能，并使用它將光片顯微鏡的成像速度提升了一個數量級，從而可以在三個維度上量化快速的囊泡動力學。該組還演示了使用雙光子光柵掃描顯微鏡以12kHz進行共振遠程聚焦，該技術可對大腦組織和斑馬魚心臟動力學進行快速成像，并具有衍射極限的分辨率。多光...

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，通過使用遠程聚焦技術或電可調諧透鏡（ETL）已經實現了快速軸向掃描；但是，遠程聚焦中反射鏡的機械驅動會限制軸向掃描速度，ETL會引入球面像差和更高階像差，從而無法進行高分辨率成像。為了克服這些局限性，該組引入了一種新穎的光學設計，能將橫向掃描轉換為可用于高分辨率成像的無球差的軸向掃描。該設計有兩種實現方式，第一種能夠執行離散的軸向掃描，另一種能夠進行連續的軸向掃描。具體裝置如圖3a所示，由兩個垂直臂組成，每個臂中都有一個4F望...

針對雙光子熒光顯微鏡的特點，從理論上分析雙光子成像特點，并搭建一套時間、空間分辨率高，能實時、動態、多參數測量的雙光子熒光顯微鏡系統。具體系統應實現∶（1）能對不同染料的雙光子熒光進行探測;（2）用特定染料對樣品標記以后，能實現雙光子熒光的三維成像;（3）通過實驗的研究，改進雙光子熒光顯微成像系統;（4）在保證成像質量的前提下，簡化整個系統，使得實驗操作方便、安全。單光子激發熒光的過程，就是熒光分子吸收一個光子，從基態躍遷到激發態，躍遷以后，能量較大的激發態分子，通過內轉換把部分能量轉移給周圍的分子，自己回到比較低電子激發態的比較低振動能級。處于比較低電子激發態的比較低振動能級像在生物醫學光學...

多光子顯微鏡因擁有較深的成像深度，和較高的對比度在生物成像中有著重要的意義，但是它通常需要較高的功率。結合時間上展開的超短脈沖可以實現超快的掃描速度和較深的成像深度，但是其本身所利用的近紅外波段的光會導致分辨率較低。清華大學陳宏偉教授和北京大學席鵬研究員合作研究，結合了結構光成像和上轉化粒子，開發了一種基于多光子上轉化材料和時間編碼結構光顯微鏡的高速超分辨成像系統(MUTE-SIM)。它可以實現50MHz的超高的掃描速度，并突破了衍射極限，實現了超分辨成像。相較于普通的熒光顯微鏡，該顯微鏡提升了，并且只需要較低的激發功率。這種超快、低功率、多光子的超分辨技術，在分辨率高的生物深層組織成像上有著...

現代分子生物學技術的迅速發展和科技的進步，特別是隨著后基因組時代的到來，人們已經能夠根據需要建立各種細胞模型，為在體研究基因表達規律、分子間的相互作用、細胞的增殖、細胞信號轉導、誘導分化、細胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物學條件。然而，盡管人們利用現有的分子生物學方法，已經對基因表達和蛋白質之間的相互作用進行了深入、細致的研究，但仍然不能實現對蛋白質和基因活動的實時、動態監測。在細胞的生理過程中，基因、尤其是蛋白質的表達、修飾和相萬作用往往發生可逆的、動態的變化。目前的分子生物學方法還不能捕獲到蛋白質和基因的這些變化，但獲取這些信息對與研究基因的表達和蛋白質之間的相互作用又至關重要。因...

多束掃描技術可以同時對神經元組織的不同位置進行成像對兩個遠距離（相距大于1-2mm）的成像部位，通常使用兩條單獨的路徑進行成像；對于相鄰區域，通常使用單個物鏡的多光束進行成像。多光束掃描技術必須特別注意激發光束之間的串擾問題，這個問題可以通過事后光源分離方法或時空復用方法來解決。事后光源分離方法指的是用算法來分離光束消除串擾；時空復用方法指的是同時使用多個激發光束，每個光束的脈沖在時間上延遲，這樣就可以暫時分離被不同光束激發的單個熒光信號。引入越多路光束就可以對越多的神經元進行成像，但是多路光束會導致熒光衰減時間的重疊增加，從而限制了區分信號源的能力；并且多路復用對電子設備的工作速率有很高的要...

多光子顯微優點：☆光損傷小：由于雙光子顯微鏡使用的是可見光或近紅外光作為激發光源，這一波段的光對細胞和組織的光損傷小，適用于長時間的研究；☆穿透能力強：相對于紫外光，可見光和近紅外光都具有更強的穿透能力，因而受生物組織散射的影響更小，解決對生物組織中深層物質的層析成像研究問題；☆高分辨率：由于雙光子吸收截面很小，只有在焦平面很小的區域內可以激發出熒光，雙光子吸收*局限于焦點處的體積約為波長3次方的范圍內；☆漂白區域小：由于激發只存在于交點處，所以焦點以外的區域都不會發生光漂白現象；☆熒光收集率高：與共聚焦成像相比，雙光子成像不需要光學濾波器，這樣就提高了對熒光的收集率，而收集率的提高直接導致圖...

對于雙光子(2P)成像，散焦和近表面熒光激發是兩個相對較大的深度限制因素，而對于三光子(3P)成像，這兩個問題**減少。然而，由于熒光團的吸收截面遠小于2P，三光子成像需要更高的脈沖能量才能獲得與2P相同激發強度的熒光信號。功能性3P顯微鏡比結構性3P顯微鏡要求更高，后者需要更快的掃描速度以便及時采樣神經元活動。為了在每個像素的停留時間內收集足夠的信號，需要更高的脈沖能量。復雜的行為通常涉及大規模的大腦神經網絡，這些網絡既有本地連接，也有遠程連接。為了將神經元的活動與行為聯系起來，需要同時監測***分布的超大型神經元的活動。大腦中的神經網絡將在幾十毫秒內處理輸入的刺激。為了理解這種快速神經元動...

Ca2+是一種重要的第二信使，在調節細胞生理反應中起著重要作用。發展和利用雙光子熒光顯微成像技術觀測Ca2+熒光信號，可以從某些方面分析生物體或細胞的變化機制，具有重要意義。利用雙光子熒光顯微成像技術，我們可以觀察到細胞內熒光探針標記的Ca2*的時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胞內(Ca2+)的熒光圖像和變化。通過對單個細胞的研究發現，Ca2+的分布不僅在細胞的局部區域之間是不均勻的，而且在細胞內不同深度或層次的局部區域之間也存在不同程度的Ca2+梯度，稱為空間Ca2+梯度。多光子顯微鏡適用于動物大腦皮層深層（400微米）細胞的形態、生理學研究。美國激光掃描多光子顯微鏡飛...

與傳統的單光子寬視野熒光顯微鏡相比，多光子顯微鏡（MPM）具有光學切片和深層成像等功能，這兩個優勢極大地促進了研究者們對于完整大腦深處神經的了解與認識。2019年，JeromeLecoq等人從大腦深處的神經元成像、大量神經元成像、高速神經元成像這三個方面論述了相關的MPM技術。想要將神經元活動與復雜行為聯系起來，通常需要對大腦皮質深層的神經元進行成像，這就要求MPM具有深層成像的能力。激發和發射光會被生物組織高度散射和吸收是限制MPM成像深度的主要因素，雖然可以通過增加激光強度來解決散射問題，但這會帶來其他問題，例如燒壞樣品、離焦和近表面熒光激發。增加MPM成像深度比較好的方法是用更長的波長作...

通過添加FACED模塊，可以將基于標準振鏡的現有2PM輕松轉換為千赫茲成像系統。FACED雙光子熒光顯微鏡遵循光柵掃描，需要很少的計算處理，在稀疏或密集的標記樣本中均可以使用，并且不受串擾的影響，而且對整個圖像平面采樣后可以進行運動校正。實驗中沒有觀察到光損傷的跡象，此外，子脈沖延遲到達相同的樣品位置，能為熒光團提供充足的時間使其從易于破壞的暗態返回到基態，可以明顯減少光漂白。使用現有的傳感器，FACED雙光子熒光顯微鏡可以提供足夠的速度和靈敏度來檢測神經元過程中的鈣瞬變和谷氨酸瞬變，以及來自細胞體的尖峰和亞閾值電壓。該組使用基于FACED的2PM顯微鏡，在小鼠大腦中實現了千赫茲速率的神經活動...

使用基因編碼的熒光探針可以在突觸和細胞分辨率下監測體內神經元信號，這是揭示動物神經活動復雜機制的關鍵。使用雙光子顯微鏡（2PM）可以以亞細胞分辨率對鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器成像，從而測量不透明大腦深處的活動；成像膜電壓變化能直接反映神經元活動，但神經元活動的速度對于常規的2PM來說太快。目前電壓成像主要通過寬場顯微鏡實現，但它的空間分辨率較差并且于淺層深度。因此要在不透明的大腦中以高空間分辨率對膜電壓變化進行成像，需要明顯提高2PM的成像速率。多光子顯微鏡的發展現狀及未來發展趨勢。熒光多光子顯微鏡焦點激發現代分子生物學技術的迅速發展和科技的進步，特別是隨著后基因組時代的到來，人們已經能夠根據...

快速光柵掃描有多種實現方式，使用振鏡進行快速2D掃描，將振鏡和可調電動透鏡結合在一起進行快速3D掃描，但可調電動透鏡由于機械慣性的限制在軸向無法快速進行焦點切換，影響成像速度，現可使用空間光調制器（SLM）代替。遠程聚焦也是一種實現3D成像的手段，如圖2所示。在LSU模塊中，掃描振鏡進行橫向掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過調控M的位置實現軸向掃描。該技術不僅可以校正主物鏡L2引入的光學像差，還可以進行快速的軸向掃描。想要獲得更多神經元成像，可以通過調整顯微鏡的物鏡設計來擴大FOV，但是具有大NA和大FOV的物鏡通常重量較大，無法快速移動以進行快速軸向掃描，因此大型FOV系統需要依賴...

使用MPM對神經元進行成像時，通過隨機訪問掃描—即激光束在整個視場上的任意選定點上進行快速掃描—可以只掃描感興趣的神經元，這樣不僅避免掃描到任何未標記的神經纖維，還可以優化激光束的掃描時間。隨機訪問掃描可以通過聲光偏轉器（AOD）來實現，其原理是將具有一個射頻信號的壓電傳感器粘在合適的晶體上，所產生的聲波引起周期性的折射率光柵，激光束通過光柵時發生衍射。通過射頻電信號調控聲波的強度和頻率從而可以改變衍射光的強度和方向，這樣使用1個AOD就可以實現一維橫向的任意點掃描，利用1對AOD，結合其他軸向掃描技術可實現3D的隨機訪問掃描。但是該技術對樣本的運動很敏感，易出現運動偽影。目前，快速光柵掃描即...

多束掃描技術可以同時對神經元組織的不同位置進行成像對兩個遠距離（相距大于1-2mm）的成像部位，通常使用兩條單獨的路徑進行成像；對于相鄰區域，通常使用單個物鏡的多光束進行成像。多光束掃描技術必須特別注意激發光束之間的串擾問題，這個問題可以通過事后光源分離方法或時空復用方法來解決。事后光源分離方法指的是用算法來分離光束消除串擾；時空復用方法指的是同時使用多個激發光束，每個光束的脈沖在時間上延遲，這樣就可以暫時分離被不同光束激發的單個熒光信號。引入越多路光束就可以對越多的神經元進行成像，但是多路光束會導致熒光衰減時間的重疊增加，從而限制了區分信號源的能力；并且多路復用對電子設備的工作速率有很高的要...

在生物成像中，我司多光子顯微鏡具有清晰，快速，深層，活這四個方面。結合了多光子上轉化材料以及時間編碼的結構光超分辨技術，實現了快速（50MHz的掃描速度），超分辨（超衍射極限）成像。作為一種新的高速，超高分辨率的成像系統，MUTE-SIM可以幫助我們對快速運動的生物圖像進行分辨率高的成像。盡管關于深度成像的應用我們沒有進一步展示，但是結合1560nm近紅外光相對于可見光更佳的穿透性，我們相信該技術將有利于對生物組織進行高速，超分辨，高深度地成像，有助于生物影像學的發展。滔博生物TOP-Bright是一家集研發，生產，銷售于一體的專注于神經科學產品及致力于向高校、科研機構等領域提供實驗室一體化方...

細胞在受到外界刺激時，隨著刺激時間的增長，即使刺激繼續存在，Ca2+熒光信號不但不會繼續增強，反而會減弱，直至恢復到未加刺激物時的水平。對于細胞受精過程中Ca2+熒光信號的變化情況，研究發現，配了在粘著過程中，Ca2+熒光信號未發生任何變化，而配子之間發生融合作用時，Ca2+熒光信號強度卻會出現一個不穩定的峰值，并可持續幾分鐘。這些現象，對研究受精發育的早期信號及Ca2+在卵細胞和受精卵的發育過程中的作用具有重要的意義。在其它一些生理過程如細胞分裂、胞吐作用等，Ca2+熒光信號強度也會發生很強的變化。使用雙光子顯微鏡觀察標本的時候，只有在焦平面上才有光漂白和光毒性。美國飛秒激光多光子顯微鏡單分...

多光子激發的特點。激發波長∶兩個或多個光子同時激發，激發波長是單光子激發波長的兩倍或多倍（i.e.紅光能激發UV探針）。多光子激發∶依賴于多個光子同時到達的時間。使用脈沖飛秒激光器（i.e.10-16seconds），且能提供更高的峰值功率。熒光限制在焦點處，能滿足多個光子同時達到產生多光子吸收。熒光強度正比于（激光強度）n。為什么使用飛秒激光器?多光子激發需要超快的激光器，皮秒脈沖不能實現三光子激發。深度成像需要更高、更窄脈沖輸出功率。多光子激發光源處于近紅外區，對細胞毒性和光漂白更小。多光子顯微鏡市場集中，由于投產生產的成本較高，技術難度大，目前涌現的新企業不多。美國布魯克多光子顯微鏡應用...

雙光子顯微鏡工作原理是將超快的紅外激光脈沖傳輸到樣品中，在樣品中與組織或熒光標記相互作用，這些組織或熒光標記發出用于創建圖像的信號。雙光子顯微鏡被多用于生物學研究，因為它能夠產生高分辨率的3-D圖像，深度達1毫米。然而，這些優點帶來了有限的成像速度，因為微光條件需要逐點圖像采集和重建的點檢測器。為了加快成像速度，科學家之前開發了一種多焦點激光照明方法，該方法使用數字微鏡設備(DMD)，這是一種通常用于投影儀的低成本光掃描儀。此前人們認為這些DMD不能與超快激光一起工作。然而現在解決了這個問題，這使得DMD在超快激光應用中得以應用，這些應用包括光束整形、脈沖整形、快速掃描和雙光子成像。DMD在樣...

對于雙光子（2P）成像而言，離焦和近表面熒光激發是兩個比較大的深度限制因素，而對于三光子（3P）成像這兩個問題大大減小，但是三光子成像由于熒光團的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高數量級的脈沖能量才能獲得與2P激發的相同強度的熒光信號。功能性3P顯微鏡比結構性3P顯微鏡的要求更高，它需要更快速的掃描，以便及時采樣神經元活動；需要更高的脈沖能量，以便在每個像素停留時間內收集足夠的信號。復雜的行為通常涉及到大型的大腦神經網絡，該網絡既具有局部的連接又具有遠程的連接。要想將神經元活動與行為聯系起來，需要同時監控非常龐大且分布普遍的神經元的活動，大腦中的神經網絡會在幾十毫秒內處理傳入的刺激，要想了解...

現代分子生物學技術的迅速發展和科技的進步，特別是隨著后基因組時代的到來，人們已經能夠根據需要建立各種細胞模型，為在體研究基因表達規律、分子間的相互作用、細胞的增殖、細胞信號轉導、誘導分化、細胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物學條件。然而，盡管人們利用現有的分子生物學方法，已經對基因表達和蛋白質之間的相互作用進行了深入、細致的研究，但仍然不能實現對蛋白質和基因活動的實時、動態監測。在細胞的生理過程中，基因、尤其是蛋白質的表達、修飾和相萬作用往往發生可逆的、動態的變化。目前的分子生物學方法還不能捕獲到蛋白質和基因的這些變化，但獲取這些信息對與研究基因的表達和蛋白質之間的相互作用又至關重要。因...

現代分子生物學技術的迅速發展和科技的進步，特別是隨著后基因組時代的到來，人們已經能夠根據需要建立各種細胞模型，為在體研究基因表達規律、分子間的相互作用、細胞的增殖、細胞信號轉導、誘導分化、細胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物學條件。然而，盡管人們利用現有的分子生物學方法，已經對基因表達和蛋白質之間的相互作用進行了深入、細致的研究，但仍然不能實現對蛋白質和基因活動的實時、動態監測。在細胞的生理過程中，基因、尤其是蛋白質的表達、修飾和相萬作用往往發生可逆的、動態的變化。目前的分子生物學方法還不能捕獲到蛋白質和基因的這些變化，但獲取這些信息對與研究基因的表達和蛋白質之間的相互作用又至關重要。因...

針對雙光子熒光顯微鏡的特點，從理論上分析雙光子成像特點，并搭建一套時間、空間分辨率高，能實時、動態、多參數測量的雙光子熒光顯微鏡系統。具體系統應實現∶（1）能對不同染料的雙光子熒光進行探測;（2）用特定染料對樣品標記以后，能實現雙光子熒光的三維成像;（3）通過實驗的研究，改進雙光子熒光顯微成像系統;（4）在保證成像質量的前提下，簡化整個系統，使得實驗操作方便、安全。單光子激發熒光的過程，就是熒光分子吸收一個光子，從基態躍遷到激發態，躍遷以后，能量較大的激發態分子，通過內轉換把部分能量轉移給周圍的分子，自己回到比較低電子激發態的比較低振動能級。處于比較低電子激發態的比較低振動能級像在生物醫學光學...

細胞在受到外界刺激時，隨著刺激時間的增長，即使刺激繼續存在，Ca2+熒光信號不但不會繼續增強，反而會減弱，直至恢復到未加刺激物時的水平。對于細胞受精過程中Ca2+熒光信號的變化情況，研究發現，配了在粘著過程中，Ca2+熒光信號未發生任何變化，而配子之間發生融合作用時，Ca2+熒光信號強度卻會出現一個不穩定的峰值，并可持續幾分鐘。這些現象，對研究受精發育的早期信號及Ca2+在卵細胞和受精卵的發育過程中的作用具有重要的意義。在其它一些生理過程如細胞分裂、胞吐作用等，Ca2+熒光信號強度也會發生很的變化。目前主要使用的多光子顯微鏡包括雙光子顯微鏡和三光子顯微鏡。布魯克多光子顯微鏡準確定位單光子激發熒...

細胞在受到外界刺激時，隨著刺激時間的增長，即使刺激繼續存在，Ca2+熒光信號不但不會繼續增強，反而會減弱，直至恢復到未加刺激物時的水平。對于細胞受精過程中Ca2+熒光信號的變化情況，研究發現，配了在粘著過程中，Ca2+熒光信號未發生任何變化，而配子之間發生融合作用時，Ca2+熒光信號強度卻會出現一個不穩定的峰值，并可持續幾分鐘。這些現象，對研究受精發育的早期信號及Ca2+在卵細胞和受精卵的發育過程中的作用具有重要的意義。在其它一些生理過程如細胞分裂、胞吐作用等，Ca2+熒光信號強度也會發生很的變化。全球多光子顯微鏡主要消費地區分析，包括消費量及份額等。共聚焦多光子顯微鏡系統某種物質能產生熒光，...

對于雙光子(2P)成像，散焦和近表面熒光激發是兩個相對較大的深度限制因素，而對于三光子(3P)成像，這兩個問題**減少。然而，由于熒光團的吸收截面遠小于2P，三光子成像需要更高的脈沖能量才能獲得與2P相同激發強度的熒光信號。功能性3P顯微鏡比結構性3P顯微鏡要求更高，后者需要更快的掃描速度以便及時采樣神經元活動。為了在每個像素的停留時間內收集足夠的信號，需要更高的脈沖能量。復雜的行為通常涉及大規模的大腦神經網絡，這些網絡既有本地連接，也有遠程連接。為了將神經元的活動與行為聯系起來，需要同時監測***分布的超大型神經元的活動。大腦中的神經網絡將在幾十毫秒內處理輸入的刺激。為了理解這種快速神經元動...

針對雙光子熒光顯微鏡的特點，從理論上分析雙光子成像特點，并搭建一套時間、空間分辨率高，能實時、動態、多參數測量的雙光子熒光顯微鏡系統。具體系統應實現∶（1）能對不同染料的雙光子熒光進行探測;（2）用特定染料對樣品標記以后，能實現雙光子熒光的三維成像;（3）通過實驗的研究，改進雙光子熒光顯微成像系統;（4）在保證成像質量的前提下，簡化整個系統，使得實驗操作方便、安全。單光子激發熒光的過程，就是熒光分子吸收一個光子，從基態躍遷到激發態，躍遷以后，能量較大的激發態分子，通過內轉換把部分能量轉移給周圍的分子，自己回到比較低電子激發態的比較低振動能級。處于比較低電子激發態的比較低振動能級像在生物醫學光學...

使用MPM對神經元進行成像時，通過隨機訪問掃描—即激光束在整個視場上的任意選定點上進行快速掃描—可以只掃描感興趣的神經元，這樣不僅避免掃描到任何未標記的神經纖維，還可以優化激光束的掃描時間。隨機訪問掃描可以通過聲光偏轉器（AOD）來實現，其原理是將具有一個射頻信號的壓電傳感器粘在合適的晶體上，所產生的聲波引起周期性的折射率光柵，激光束通過光柵時發生衍射。通過射頻電信號調控聲波的強度和頻率從而可以改變衍射光的強度和方向，這樣使用1個AOD就可以實現一維橫向的任意點掃描，利用1對AOD，結合其他軸向掃描技術可實現3D的隨機訪問掃描。但是該技術對樣本的運動很敏感，易出現運動偽影。目前，快速光柵掃描即...

與傳統的單光子寬視野熒光顯微鏡相比，多光子顯微鏡（MPM）具有光學切片和深層成像等功能，這兩個優勢極大地促進了研究者們對于完整大腦深處神經的了解與認識。2019年，JeromeLecoq等人從大腦深處的神經元成像、大量神經元成像、高速神經元成像這三個方面論述了相關的MPM技術[1]。想要將神經元活動與復雜行為聯系起來，通常需要對大腦皮質深層的神經元進行成像，這就要求MPM具有深層成像的能力。激發和發射光會被生物組織高度散射和吸收是限制MPM成像深度的主要因素，雖然可以通過增加激光強度來解決散射問題，但這會帶來其他問題，例如燒壞樣品、離焦和近表面熒光激發。增加MPM成像深度比較好的方法是用更長的...