多模态非线性光学显微成像技术：探索生物微观世界的利器

在生物医学领域，深入了解生物样本的结构与功能对于研究复杂生物过程至关重要。传统的光学成像技术往往难以满足从多维度获取生化信息的需求，而多模态非线性光学显微成像技术的出现为解决这一难题提供了新的途径。

深圳大学刘丽炜教授团队撰写了多模态非线性光学成像领域的综述，介绍了各种非线性光学显微成像的基本原理，并阐述了非线性光学成像的多模态耦合所面临的技术挑战与解决方案。

光学显微镜的发展源远流长，从1590年类似显微镜的仪器诞生，到后来各种显微镜的出现，极大地促进了生命科学领域的发展。

由于非线性光学成像具有天然的衍射极限空间分辨率与光学切片效果，且多采用近红外激光光源激发，具有较强的组织穿透力和较小的光损伤体积，同时可提供组织的无标记成像，避免了外源性标记物引起的毒性。

因此，近年来非线性光学显微镜（NLOM）在生物医学领域中得到了广泛应用，相关发展历程如图1所示。

图1 非线性光学显微镜发展历程

在生物组织成像中，不同生物分子具有独特的非线性光学特性，使不同非线性光学成像模式具有分子特异性和选择性，能实现亚细胞空间分辨率的非接触式实时生化信息获取。

随着生命科学研究深入，该技术应用范围扩大，但生物样本结构与功能复杂，需多维度获取多参量信息以深入研究复杂生物过程，因此生物医学领域亟需能获取多维度生化信息的光学成像技术，以实现对生物组织的多参量表征，获得更全面的微观结构特性和功能信息。

非线性光学成像技术包含SHG、THG、TPEF、3PEF、CARS和SRS显微成像等，是检测生物分子、细胞和组织的重要工具，推动了生物学、药学和医学基础研究的发展。

近年来，集成多种非线性成像技术的多模态光学表征系统成为光学显微技术的新方向，其多重非线性对比机制能对生物组织进行多参量多维光学表征，以获取更全面的生物微结构与生物分子代谢信息，用于生物医学研究。

1、非线性光学显微成像技术的多模式耦合

2.多模态非线性光学显微成像系统的优化

3.多模态非线性光学内窥镜

将非线性光学成像与内窥镜技术相结合，可实现活体生物表皮与内部器官的动态监测，目前已广泛应用于深部脑组织和胃、食管等内脏组织成像。多模态非线性光学内窥镜的关键技术包括：

同时，多模态非线性光学内窥镜也面临着一些关键挑战，如激光束传输、扫描机制和光学设计等。光纤的选择、扫描机制的类型（近端扫描和远端扫描）以及光学元件（如梯度折射率透镜）的应用都对实现高分辨率的活体三维成像至关重要。

图3 非线性光学内窥镜的扫描机制。（a）结合光纤束传导的近端扫描；（b）通过压电驱动器的机械共振实现光纤尖端扫描；（c）微机电系统用于远端扫描

多模态非线性光学显微成像技术具有诸多优势，如衍射极限空间分辨率、光学切片效果、小的光损伤以及分子特异性等，在生物医学领域有广泛应用前景。

然而，该技术仍有待完善之处，包括快速的多模态非线性光学成像、活体多模态非线性光学成像以及图像分析方法的优化等。未来，通过采用频域FLIM成像、多色SRS成像、深度学习等方法，有望进一步提高该技术的性能，为生物医学研究提供更强大的支持。

总之，多模态非线性光学显微成像技术是探索生物微观世界的重要利器，随着技术的不断发展和完善，它将为我们揭示更多生物奥秘，推动生物医学领域的进步。

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