光學顯微鏡從1590年發(fā)明以來，不斷發(fā)展，促進生命科學日新月異的發(fā)現(xiàn)，幫助人類逐層打開生命本質(zhì)的大門。同時，生命科學的發(fā)展不斷給光學顯微鏡提出新的要求，促使成像理論和技術持續(xù)更新迭代?？茖W進入21世紀，人們已經(jīng)不滿足于在體外研究細胞和組織，需要能夠更真實地探索生命，在體內(nèi)實時觀察細胞的發(fā)生和變化。此時，雙光子顯微鏡進入了科學家的視野。在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時吸收兩個長波長的光子，然后發(fā)射出一個波長較短的光子，其效果和使用一個波長為長波長一半的光子去激發(fā)熒光分子是相同的（圖1）。如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），在單光子激發(fā)時，在波長為350nm光的激發(fā)下發(fā)出450nm熒光；而在雙光子激發(fā)時，可采用700nm的激發(fā)光得到450nm熒光。用雙光子顯微鏡看看你的皮膚有沒有重煥新生。國內(nèi)2PPLUS雙光子顯微鏡的成像視野

細胞內(nèi)鈣離子作為重要的信號分子其作用具有時間性和空間性。當個細胞興奮時，產(chǎn)生了一個電沖動，此時，細胞外的鈣離子流入該細胞內(nèi)，促使該細胞分泌神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)與相鄰的下一級神經(jīng)細胞膜上的蛋白分子結(jié)合，促使這一級神經(jīng)細胞產(chǎn)生新的電沖動。以此類推，神經(jīng)信號便一級一級地傳遞下去，從而構(gòu)成復雜的信號體系，終形成學習、記憶等大腦的高級功能。在哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子同樣扮演著重要的信號分子的角色。靜息狀態(tài)下大部分神經(jīng)元細胞內(nèi)鈣離子濃度約為50-100nM，而細胞興奮時鈣離子濃度能瞬間上升10-100倍，增加的鈣離子對于突觸囊泡胞吐釋放神經(jīng)遞質(zhì)的過程必不可少。眾所周知，只有游離鈣才具有生物學活性，而細胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度由鈣離子的內(nèi)外流平衡所決定，同時也受鈣結(jié)合蛋白的影響。細胞外鈣離子內(nèi)流的方式有很多種，其中包括電壓門控鈣離子通道、離子型谷氨酰胺受體、煙堿型膽堿能受體（nAChR）和瞬時受體電位C型通道（TRPC）等。神經(jīng)元鈣成像的原理就是利用特殊的熒光染料或鈣離子指示劑將神經(jīng)元中鈣離子濃度的變化通過熒光強度表現(xiàn)出來，以反映神經(jīng)元活性。該方法可以同時觀察多個功能或位置相關的腦細胞。國內(nèi)2PPLUS雙光子顯微鏡的成像視野雙光子顯微鏡使用的是高能量鎖模脈沖器。

雙光子顯微鏡為什么穿透能力強？生物組織在近紅外波段存在兩個窗口,第1個近紅外窗口對應波長在700nm-900nm,第2個近紅外窗口對應波長在1000nm-1400nm之間。舉例說明就是單晶硅對于可見光幾乎是不透明的，但是對于紅外波段就像是“水晶”一樣通透性很好了。原因有兩點：1.生物組織對紅外光的吸收弱，對可見光吸收強。類似的，平時用手電筒照射手指，會看到手通透紅亮，也是由于生物組織對長波長的紅光吸收少。2.生物組織對紅外光的散射弱。因為瑞利散射的強度反比于波長λ的四次方。類似的，早晨的太陽非常紅，也就是因為長波長的紅光穿透力更強。這兩點共同導致長波長的紅外光比可見光對生物組織的穿透能力強。

WinfriedDenk較初使用的光源是染料飛秒激光器(100fs脈寬、630nm可見光波長)。雖然染料激光器對于實驗室演示尚可，但是使用很不方便所以遠未實現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標配光源就變成了飛秒鈦寶石激光器。除了固態(tài)光源優(yōu)勢，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長調(diào)諧范圍，而近紅外相比可見光穿透更深，對生物樣品損傷更小。下圖是Thorlabs的雙光子和三光子顯微鏡配置，鈦寶石飛秒可調(diào)諧激光器位于平臺較左邊。從雙光子到三光子科學家正在從雙光子轉(zhuǎn)向三光子顯微鏡。1996年，ChrisXu在康奈爾大學(Denk同導師實驗室)讀博期間發(fā)明了三光子顯微鏡，如果雙光子吸收可行，那么三光子看起來也是自然的發(fā)展方向。三光子成像使用更長的波長，大約在1.3和1.7微米，其成像深度也比雙光子更深，目前記錄約為2.2毫米，人類大腦皮層厚約4毫米。相比雙光子顯微鏡，三光子還要求以較低重頻使用更強和更短的激光脈沖，而傳統(tǒng)的鈦寶石激光器難以達到這些要求，但是對于摻鐿光纖飛秒光參量放大器則非常容易，比如我們的Y-Fi光參量放大器(OPA)。雙光子顯微鏡將得到更大的發(fā)展與更廣的應用。

從雙光子的原理和特點我們就可以明顯的得出雙光子的優(yōu)點：☆光損傷?。河捎陔p光子顯微鏡使用的是可見光或近紅外光作為激發(fā)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(zhì)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(qū)域內(nèi)可以激發(fā)出熒光，雙光子吸收只局限于焦點處的體積約為波長3次方的范圍內(nèi)；☆漂白區(qū)域?。河捎诩ぐl(fā)只存在于交點處，所以焦點以外的區(qū)域都不會發(fā)生光漂白現(xiàn)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（共焦***），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像對比度的提高；☆圖像對比度高：由于熒光波長小于入射波長，因而瑞利散射產(chǎn)生的背景噪聲只有單光子激發(fā)時的1/16，較大降低了散射的干擾；☆光子躍遷具有很強的選擇激發(fā)性，所以可以對生物組織中一些特殊物質(zhì)進行成像研究；雙光子顯微鏡在組織透明化成像中應用；國內(nèi)2PPLUS雙光子顯微鏡的成像視野

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許多生物醫(yī)學成像方式，無論是單光子(共聚焦)或多光子(雙光子)，都使用激光作為光源，并需要兼容的熒光染料。熒光染料有自己的激發(fā)波長，它們可以被單個光子以該激發(fā)波長的光子能量激發(fā)(E=hv=h*c/λ);或者是兩個幾乎同時到達的光子，但每個光子的能量約為單光子能量的一半，即雙波長(0.5E->2λ)。前者是單光子顯微鏡原理，后者是雙光子顯微鏡原理。在對同一種熒光染料進行成像時，雙光子與單光子相比可以使用約兩倍波長，因此雙光子的散射較小(波長較長，散射較小)，可以更深入地滲透到組織中。國內(nèi)2PPLUS雙光子顯微鏡的成像視野