photonics research | 深圳先进院郑炜研究员团队研发了梯度光场编码的双光子快速三维成像技术
近日，中国科学院深圳先进技术研究院郑炜研究员团队在photonics research上发表了题为“axial gradient excitation accelerates volumetric imaging of two-photon microscopy”的文章，报道了一种基于激发光梯度编码的快速三维成像技术，可以使双光子体成像速度比传统技术提升5-10倍。深圳先进院医工所光学中心助理研究员高玉峰、夏先园并列为论文第一作者，副研究员李慧和研究员、中心主任郑炜为通讯作者。
双光子显微镜具有亚微米级的成像分辨率和毫米级的成像深度，被广泛应用在神经结构和功能成像以及其他活体成像研究中。传统的双光子三维成像是将双光子激发的焦点在样品中进行逐层的二维扫描来实现的，这种三维成像方法不仅速度受限而且增加了样品暴露在高能激光中的时间，对生物组织造成光损伤和光漂白，不利于活体组织的长时间成像。针对该问题，高玉峰等人提出一种新型的梯度光场双光子显微成像技术。该技术只需要进行两次二维扫描即可获得样品的三维信息，实现了比传统双光子显微镜高5-10倍的三维体成像速度，并且极大降低了激光对样品的损害。
在生活中我们可以利用编码来确定位置，与此类似，梯度光场技术设计了一对轴向拉长并且强度梯度变化的焦点，利用这对焦点的强度变化来编码并解析出物体的位置。
图（a）：梯度光场双光子显微成像原理
图（b）：巨噬细胞吞噬小球过程
图（c）：小球的运动轨迹
图（d）：小球运动轨迹的量化与评估
如图（a）所示，横向扫描第一个梯度焦点得到的图像中，位置较浅处的样品荧光强度强，位置较深处的样品荧光强度弱，第二个焦点对应的图像则正好相反。两幅图像的和反映了样品的真实三维荧光强度，图像的比值则反映了荧光的深度信息。该方法可以一次分辨深度12微米内三维信息，荧光点轴向定位精度为0.63微米。梯度光场双光子显微镜非常适合活体细胞的三维成像，在观测巨噬细胞吞噬荧光小球的实验中，能够快速捕捉荧光小球在巨噬细胞内外的三维运动轨迹，并精确定量出巨噬细胞运载小球的速度。
该工作得到了国自然重大科研仪器、国自然重大研究计划以及广东省重点实验室等项目的支持，是由中国科学院深圳先进技术研究院医工所、脑所以及中国科学院遗传与发育生物学研究所联合完成的。
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