雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因為有了激光才得到實驗驗證，但是到WinfriedDenk發(fā)明雙光子顯微鏡又用了將近30年。要理解雙光子的技術(shù)挑戰(zhàn)和飛秒激光發(fā)揮的重要作用，首先要了解其中的非線性過程。雙光子吸收相當(dāng)于和頻產(chǎn)生非線性過程，這要求極高的電場強度，而電場取決于聚焦光斑大小和激光脈寬。聚焦光斑越小，脈寬越窄，雙光子吸收效率越高。對于衍射極限顯微鏡，聚焦在樣品上的光斑大小只和物鏡NA和激光波長有關(guān)，所以關(guān)鍵變量只剩下激光脈寬?；谝陨戏治觯軌蛞愿咧仡l(100MHz)輸出超短脈沖(100fs量級)的飛秒激光器成了雙光子顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)光源。這也再次說明雙光子顯微鏡的優(yōu)勢：只有焦平面處才能形成雙光子吸收，而焦平面之外由于光強低無法被激發(fā)，所以雙光子成像更清晰。在深度組織中以較長時間對細(xì)胞成像，雙光子顯微鏡是當(dāng)前之選。國外investigator雙光子顯微鏡

美國霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所在JaneliaFarmResearchCampus的吉娜博士小組與來自中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室的王琛博士較近成功將一種新的自適應(yīng)光學(xué)的方法和雙光子顯微鏡結(jié)合，研制出一種新的自適應(yīng)光學(xué)雙光子熒光顯微鏡。通過校正小鼠大腦的像差，在視覺皮層的不同深度處均獲得了提高數(shù)倍的成像分辨率和信號強度，明顯改進了成像質(zhì)量，使得原來在鼠腦中不可見或者模糊的細(xì)節(jié)變得清晰可見，她們成功將該方法應(yīng)用于老鼠視覺皮層第五層（約500μm）的形貌結(jié)構(gòu)成像和鈣離子功能成像。這一新的自適應(yīng)光學(xué)方法，使得在小鼠深層區(qū)域成像中獲得近衍射極限的成像分辨率成為現(xiàn)實。這一成果發(fā)表在較新一期的《NatureMethods》。國外ultimainvestigator雙光子顯微鏡授權(quán)供應(yīng)商雙光子顯微鏡在組織透明化成像中應(yīng)用。

n摻雜可以明顯影響碳點(CDs)的發(fā)射和激發(fā)特性，使雙光子碳點(TP-CDs)具有本征雙光子激發(fā)特性和605nm紅光發(fā)射特性。在638nm激光的照射下，除了長波激發(fā)和發(fā)射外，還能產(chǎn)生活性氧，這為光動力技術(shù)提供了極大的可能性。更重要的是，各種表征和理論模擬證實了摻雜誘導(dǎo)的N雜環(huán)在TP-CDs與RNA的親和力中起著關(guān)鍵作用。這種親和力不僅可以實現(xiàn)核仁特異性的自我靶向，還可以通過ROS斷裂RNA鏈來解離TP-CDs@RNA復(fù)合物，從而在治療過程中產(chǎn)生熒光變化。TP-CDs結(jié)合了ROS產(chǎn)生的能力、PDT過程中的熒光變化、長波激發(fā)和發(fā)射特性以及核仁特異性自靶向性，因此可以認(rèn)為是一種實時處理核仁動態(tài)變化的智能CDs。

后續(xù)實驗使用碘化丙啶(PI)來指示細(xì)胞在7、8、9和10分鐘的延時觀察后的損傷情況，來驗證該光學(xué)系統(tǒng)對活細(xì)胞長期觀察的適用性。在觀察期間，88個焦點以100毫秒的曝光時間，曝光間隔1s照射樣品，激發(fā)強度為3.21×104W/cm2，激發(fā)波長為525nm，使用前文提到的60×物鏡及1.0AU孔徑，圖5(a)-(d)為引入PI的成像圖，(e)-(h)為相應(yīng)的相應(yīng)襯度圖。改變激發(fā)條件為每照射500ms間隔5s，得到相應(yīng)的(i)-(p)。由圖像可知，延時觀察小于8分鐘的情況下不造成可見細(xì)胞損傷，對于實際3D延時成像，由于焦平面是移動的，所以預(yù)期細(xì)胞存活時間會更長，可見這是一種在3D在體延時成像中具有很大優(yōu)勢的成像方案。雙光子顯微鏡有這么多優(yōu)點，那么雙光子顯微鏡有哪些應(yīng)用呢？

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，目前電壓成像主要通過寬場顯微鏡實現(xiàn)，但它的空間分辨率較差并且只是于淺層深度。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行成像，需要較提高2PM的成像速率。FACED模塊輸出處的子脈沖序列可以看作從虛擬光源陣列發(fā)出的光，這些子脈沖在中繼到顯微鏡物鏡后形成了一個空間上分離且時間延遲的焦點陣列。然后將該模塊并入具有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)雙光子熒光顯微鏡中，如圖2所示。光源是具有1MHz重復(fù)頻率的920nm的激光器，通過FACED模塊可產(chǎn)生80個脈沖焦點，其脈沖時間間隔為2ns。這些焦點是虛擬源的圖像，虛擬源越遠，物鏡處的光束尺寸越大，焦點越小。光束沿y軸比x軸能更好地充滿物鏡，雙光子顯微鏡角膜成像。國內(nèi)ultima2PPLUS雙光子顯微鏡授權(quán)供應(yīng)商

雙光子顯微鏡還可以對一些具有雙光子特性的染料細(xì)胞進行特定實驗；國外investigator雙光子顯微鏡

雙光子顯微鏡的基本原理是：在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時吸收2個長波長的光子，在經(jīng)過一個很短的所謂激發(fā)態(tài)壽命的時間后，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。雙光子激發(fā)需要很高的光子密度，為了不損傷細(xì)胞，雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發(fā)出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，其脈沖寬度只有100飛秒，而其周期可以達到80至100兆赫茲。在使用高數(shù)值孔徑的物鏡將脈沖激光的光子聚焦時，物鏡的焦點處的光子密度是比較高的，雙光子激發(fā)只發(fā)生在物鏡的焦點上，所以雙光子顯微鏡不需要共聚焦***，提高了熒光檢測效率。國外investigator雙光子顯微鏡