双光子显微镜 (TPM) 通过使研究人员能够以高分辨率观察活组织中的复杂生物过程，彻底改变了生物学领域。与传统的荧光显微镜技术相比，TPM 利用低能光子激发荧光分子进行观察。这反过来又可以更深入地穿透组织，并确保荧光分子或荧光团不会被激发激光永久损坏。
然而，即使使用最先进的 TPM，某些生物过程也太快而无法记录。限制 TPM 性能的设计参数之一是线扫描频率，以每秒帧数 (FPS) 衡量。这是指激发激光沿一个方向（例如，水平扫描）扫过目标样品的速率。较慢的扫描频率也会影响系统的整体 FPS，因为它决定了激光扫过另一个方向的速度，即垂直扫描。总之，这些在显微镜的时间分辨率和观察框的大小之间产生了权衡。
为了解决这个问题，来自中国和德国的国际研究人员团队最近开发了一种强大的 TPM 设置，具有前所未有的高线扫描频率。根据他们 发表在 《神经光子学》(Neurophotonics)上的报告，该显微系统旨在以高时间和空间分辨率对快速生物过程进行成像。
将拟议的 TPM 与传统 TPM 区分开来的关键因素之一是使用声光偏转器 (AOD) 来控制激发激光的扫描。AOD 是一种特殊类型的晶体，其折射率可以通过声波精确控制。反过来，这使我们能够根据需要重新引导激光束通过它。更重要的是，与传统 TPM 中使用的检流计相比，AOD 能够实现更快的激光转向。
因此，该团队使用二氧化碲 (TeO 2 ) 晶体设计了具有极高声速的定制 AOD ，实现了高线扫描频率。有了这个 AOD，激光可以在仅仅 2.5 微秒内扫描帧中的一条线，对应于 400 kHz 的最大线扫描频率。同样，该团队使用 AOD 在另一个方向上实现了合理的慢速扫描频率。
为了进一步提高显微镜的适应性，该团队增加了在必要时切换到基于检流计的激光扫描机制的选项。这允许以可接受的分辨率和速度扫描样品的大区域，从而在切换到 AOD 扫描之前更容易定位感兴趣的小区域。
该团队使用新设计的 TPM 进行了几次概念验证实验。他们在基因工程小鼠身上安装了颅窗，并用它们来观察神经元的形态和活动以及单个红细胞 (RBC) 的运动。该系统使用适当的 AOD 配置和帧大小实现了高达 10,000 FPS 的帧速率。这足以精确测量钙在神经元树突中传播的速度，以及可视化血管内单个红细胞的轨迹。
神经光子学 副主编和加州大学伯克利分校实验物理学 Luis Alvarez 纪念主席 Na Ji 博士对这些结果印象深刻，他说： 在其体内钙信号传播和血流测量中的应用 。”
展望未来，新的概念验证 TPM 设计将使捕获快速生物过程成为可能，并可以显着提高我们对它们的理解。
