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比較兩表格中的相關(guān)參數(shù)可以看出,基于分子光學(xué)標(biāo)記的成像技術(shù)已經(jīng)在生物活檢和基因表達(dá)規(guī)律方面展示了較大的優(yōu)勢。例如,正電子發(fā)射斷層成像(PET)可實(shí)現(xiàn)對分子代謝的成像,空間分辨率∶1-2mm,時間分辨率;分鐘量級。與PET比較,光學(xué)成像的應(yīng)用場合更廣(可測量更多的參數(shù),請參見表1-1),且具有更高的時間分辨率(秒級),空間分辨率可達(dá)到微米。因此,二者相比,雖然光學(xué)成像在測量深度方面不及PET,但在測量參數(shù)種類與時空分辨率方面有一定優(yōu)勢。對于小動物(如小白鼠)研究來說,光學(xué)成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)小動物整體成像和在體基因表達(dá)成像。例如,初步研究表明,熒光介導(dǎo)層析成像可達(dá)到近10cm的測量深度;基于多光子激發(fā)的顯微成像技術(shù)可望實(shí)現(xiàn)小鼠體內(nèi)基因表達(dá)的實(shí)時在體成像。多光子顯微鏡技術(shù)的優(yōu)勢如何?又有哪些應(yīng)用?美國在體多光子顯微鏡供應(yīng)商
世界多光子激光掃描顯微鏡產(chǎn)業(yè)主要布局在德國和日本,德國是以徠卡顯微系統(tǒng)和蔡司為,而日本以尼康和奧林巴斯公司為,2020年,上述企業(yè)占據(jù)著世界多光子激光掃描顯微鏡市場 64.44%的市場份額,其發(fā)展戰(zhàn)略左右著多光子激光掃描顯微鏡市場的走向。目前世界市場對多光子激光掃描顯微鏡的需求在增長,中國市場這方面的需求增長更快,未來五年多光子激光掃描顯微鏡市場的發(fā)展在中國將具有很大的發(fā)展?jié)摿?。國?nèi)顯微鏡制造市場目前斷層嚴(yán)重。目前我國顯微鏡行業(yè)發(fā)展缺乏技術(shù)沉淀,20 年以上經(jīng)營積累的企業(yè)十分稀缺,深度精密制造、光學(xué)重要部件設(shè)計(jì)及工藝嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)升級。目前中國顯微鏡中如多光子顯微鏡、共聚焦掃描和電子顯微鏡等主要集中在徠卡顯微系統(tǒng)、蔡司、尼康、奧林巴斯等國外企業(yè)。國內(nèi)具備生產(chǎn)顯微鏡能力的企業(yè)屈指可數(shù),若國內(nèi)顯微鏡企業(yè)能打破技術(shù)壁壘,切入顯微鏡市場,企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營將騰躍至一個更高的格局。多光子顯微鏡研究雙光子熒光顯微鏡是結(jié)合了激光掃描共聚焦顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新技術(shù)。
多束掃描技術(shù)可以同時對神經(jīng)元組織的不同位置進(jìn)行成像該技術(shù):對兩個遠(yuǎn)距離(相距大于1-2 mm)的成像部位,通常使用兩條單獨(dú)的路徑進(jìn)行成像;對于相鄰區(qū)域,通常使用單個物鏡的多光束進(jìn)行成像。多光束掃描技術(shù)必須特別注意激發(fā)光束之間的串?dāng)_問題,這個問題可以通過事后光源分離方法或時空復(fù)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?dāng)_;時空復(fù)用方法指的是同時使用多個激發(fā)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(fā)的單個熒光信號。引入越多路光束就可以對越多的神經(jīng)元進(jìn)行成像,但是多路光束會導(dǎo)致熒光衰減時間的重疊增加,從而限制了區(qū)分信號源的能力;并且多路復(fù)用對電子設(shè)備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來維持近似單光束的信噪比,這會容易導(dǎo)致組織損傷。
使用基因編碼的熒光探針可以在突觸和細(xì)胞分辨率下監(jiān)測體內(nèi)神經(jīng)元信號,這是揭示動物神經(jīng)活動復(fù)雜機(jī)制的關(guān)鍵。使用雙光子顯微鏡(2PM)可以以亞細(xì)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(jīng)元活動,但神經(jīng)元活動的速度對于常規(guī)的2PM來說太快。目前電壓成像主要通過寬場顯微鏡實(shí)現(xiàn),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(jìn)行成像,需要明顯提高2PM的成像速率。利用多光子顯微鏡的光遺傳學(xué)操作能力,我們可以對某類神經(jīng)元的ji活和失活進(jìn)行高精度的操作。
國內(nèi)顯微鏡制造市場目前斷層嚴(yán)重。目前我國顯微鏡行業(yè)發(fā)展缺乏技術(shù)沉淀,20年以上經(jīng)營積累的企業(yè)十分稀缺,深度精密制造、光學(xué)主要部件設(shè)計(jì)及工藝嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)升級。目前中國顯微鏡中如多光子顯微鏡、共聚焦掃描和電子顯微鏡等主要集中在徠卡顯微系統(tǒng)、蔡司、尼康、奧林巴斯等國外企業(yè)。國內(nèi)具備生產(chǎn)顯微鏡能力的企業(yè)屈指可數(shù),若國內(nèi)顯微鏡企業(yè)能打破技術(shù)壁壘,切入顯微鏡市場,企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營將騰躍至一個更高的格局。未來國產(chǎn)多光子激光掃描顯微鏡替代空間大。目前中國使用的多光子激光掃描顯微鏡幾乎被徠卡顯微系統(tǒng)、蔡司、尼康和奧林巴斯壟斷。國內(nèi)有能力開始生產(chǎn)多光子激光掃描顯微鏡的企業(yè)極少,若國內(nèi)能夠制造出高性能、高可靠性的多光子激光掃描顯微鏡,無異是會面臨極大的市場機(jī)遇。OCT可以用于損傷修復(fù)監(jiān)測。Yeh等用OCT、多光子顯微鏡。Ultima Investigator多光子顯微鏡焦點(diǎn)激發(fā)
全球多光子顯微鏡主要消費(fèi)地區(qū)分析,包括消費(fèi)量及份額等。美國在體多光子顯微鏡供應(yīng)商
基于多光子顯微鏡的神經(jīng)成像技術(shù)原理:多光子顯微鏡可用于深度成像和三維成像,因此可用于拍攝不透明的厚樣品。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。雙光子顯微鏡的結(jié)構(gòu)與共焦類似,區(qū)別在于:1)雙光子顯微鏡的激發(fā)光波長比共焦長,能量較低,但穿透能力較強(qiáng);2)雙光子顯微鏡沒有小孔,提高了檢測效率;3)雙光子顯微鏡成像深度較快提高。那么,為什么雙光子能具有共焦顯微鏡所沒有的優(yōu)勢呢?原因是它采用雙光子激發(fā)方式。使用波長較長的激發(fā)光子,光子的能量較低,因此電子需要吸收兩個這樣的激發(fā)光子才能達(dá)到激發(fā)態(tài),從而釋放出一個熒光光子。因此,熒光信號的強(qiáng)度與光強(qiáng)的平方成正比。因?yàn)榻裹c(diǎn)處的光強(qiáng)較大,只能在焦點(diǎn)處激發(fā)熒光。波長越長,穿透力越強(qiáng),因此雙光子顯微鏡的成像深度大于共焦顯微鏡。由于兩個光子只在焦點(diǎn)激發(fā)熒光,不需要小孔,而是將所有的熒光都收集起來,提高了檢測效率。三光子顯微鏡的原理類似于雙光子顯微鏡,利用三個激發(fā)光子可以實(shí)現(xiàn)更深的成像深度。由于使用了更長的激發(fā)波長,穿透能力更強(qiáng),成像深度更大。此外,由于較強(qiáng)的非線性效應(yīng),熒光信號的強(qiáng)度與光強(qiáng)的立方成正比,因此比雙光子具有更低的非聚焦激發(fā)和背景噪聲。 美國在體多光子顯微鏡供應(yīng)商