雙光子顯微鏡工作原理是將超快的紅外激光脈沖傳輸?shù)綐悠分?，在樣品中與組織或熒光標(biāo)記相互作用，這些組織或熒光標(biāo)記發(fā)出用于創(chuàng)建圖像的信號(hào)。雙光子顯微鏡被多用于生物學(xué)研究，因?yàn)樗軌虍a(chǎn)生高分辨率的3-D圖像，深度達(dá)1毫米。然而，這些優(yōu)點(diǎn)帶來(lái)了有限的成像速度，因?yàn)槲⒐鈼l件需要逐點(diǎn)圖像采集和重建的點(diǎn)檢測(cè)器。為了加快成像速度，科學(xué)家之前開(kāi)發(fā)了一種多焦點(diǎn)激光照明方法，該方法使用數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)，這是一種通常用于投影儀的低成本光掃描儀。此前人們認(rèn)為這些DMD不能與超快激光一起工作。然而現(xiàn)在解決了這個(gè)問(wèn)題，這使得DMD在超快激光應(yīng)用中得以應(yīng)用，這些應(yīng)用包括光束整形、脈沖整形、快速掃描和雙光子成像。DMD在樣品內(nèi)隨機(jī)選擇的位置上產(chǎn)生5到30點(diǎn)聚焦激光。多光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。靈長(zhǎng)類多光子顯微鏡焦點(diǎn)激發(fā)

多光子顯微鏡因擁有較深的成像深度，和較高的對(duì)比度在生物成像中有著重要的意義，但是它通常需要較高的功率。結(jié)合時(shí)間上展開(kāi)的超短脈沖可以實(shí)現(xiàn)超快的掃描速度和較深的成像深度，但是其本身所利用的近紅外波段的光會(huì)導(dǎo)致分辨率較低。清華大學(xué)陳宏偉教授和北京大學(xué)席鵬研究員合作研究，結(jié)合了結(jié)構(gòu)光成像和上轉(zhuǎn)化粒子，開(kāi)發(fā)了一種基于多光子上轉(zhuǎn)化材料和時(shí)間編碼結(jié)構(gòu)光顯微鏡的高速超分辨成像系統(tǒng)(MUTE-SIM)。它可以實(shí)現(xiàn)50MHz的超高的掃描速度，并突破了衍射極限，實(shí)現(xiàn)了超分辨成像。相較于普通的熒光顯微鏡，該顯微鏡提升了，并且只需要較低的激發(fā)功率。這種超快、低功率、多光子的超分辨技術(shù)，在分辨率高的生物深層組織成像上有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。靈長(zhǎng)類多光子顯微鏡焦點(diǎn)激發(fā)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)分子級(jí)觀測(cè)，多光子顯微鏡開(kāi)啟生命科學(xué)新篇章。

隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是后基因組時(shí)代的到來(lái)，人們已經(jīng)能夠根據(jù)需要建立各種細(xì)胞模型，這為在體內(nèi)研究基因表達(dá)、分子間相互作用、細(xì)胞增殖、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、誘導(dǎo)分化、細(xì)胞凋亡和新生血管生成提供了良好的生物學(xué)條件。然而，盡管利用現(xiàn)有的分子生物學(xué)方法對(duì)基因表達(dá)與蛋白質(zhì)的相互作用進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，但仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)和基因活性的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在細(xì)胞的生理過(guò)程中，基因尤其是蛋白質(zhì)的表達(dá)、修飾和相互作用往往是可逆的、動(dòng)態(tài)變化的。目前，分子生物學(xué)方法無(wú)法捕捉到蛋白質(zhì)和基因的這些變化，但獲得這些信息對(duì)于研究基因表達(dá)與蛋白質(zhì)的相互作用非常重要。因此，有必要發(fā)展一種動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)和基因活性的方法。

多光子激發(fā)在紫外成像的優(yōu)勢(shì)在可見(jiàn)光脈沖中能得到紫外衍射的顯微觀察像。即使不使用紫外域光源、光學(xué)元件用可見(jiàn)光源、光學(xué)元件就能得到紫外光激勵(lì)的高空間分辨率圖像。多光子在生物成像中的優(yōu)勢(shì)在生物顯微鏡觀察方面，較早考慮的是不損壞生物本身的活性狀態(tài)，維持水分、離子濃度、氧和養(yǎng)分的流通。在光觀察場(chǎng)合，無(wú)論是熱還是光子能量方面都必須停留在細(xì)胞不受損傷的照射量、光能量?jī)?nèi)。多光子顯微鏡則能夠滿足此，而且還具有很多優(yōu)點(diǎn)。如三維分辨率、深度侵入、在散射效率、背景光、信噪比、控制等方面，均有以往激光顯微鏡不具備，或具有無(wú)法比擬的超越特性。多光子顯微鏡涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科，生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜，進(jìn)入門(mén)檻較高。

細(xì)胞在受到外界刺激時(shí)，隨著刺激時(shí)間的增長(zhǎng)，即使刺激繼續(xù)存在，Ca2+熒光信號(hào)不但不會(huì)繼續(xù)增強(qiáng)，反而會(huì)減弱，直至恢復(fù)到未加刺激物時(shí)的水平。對(duì)于細(xì)胞受精過(guò)程中Ca2+熒光信號(hào)的變化情況，研究發(fā)現(xiàn)，配了在粘著過(guò)程中，Ca2+熒光信號(hào)未發(fā)生任何變化，而配子之間發(fā)生融合作用時(shí)，Ca2+熒光信號(hào)強(qiáng)度卻會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不穩(wěn)定的峰值，并可持續(xù)幾分鐘。這些現(xiàn)象，對(duì)研究受精發(fā)育的早期信號(hào)及Ca2+在卵細(xì)胞和受精卵的發(fā)育過(guò)程中的作用具有重要的意義。在其它一些生理過(guò)程如細(xì)胞分裂、胞吐作用等，Ca2+熒光信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的變化。光子顯微鏡是一種使用可見(jiàn)光或近紅外光的顯微鏡。靈長(zhǎng)類多光子顯微鏡焦點(diǎn)激發(fā)

由于其非侵入性和高分辨率的特點(diǎn)，多光子顯微鏡在神經(jīng)科學(xué)、ai癥研究、免疫學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。靈長(zhǎng)類多光子顯微鏡焦點(diǎn)激發(fā)

單光子激發(fā)熒光的過(guò)程，就是熒光分子吸收一個(gè)光子，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，躍遷以后，能量較大的激發(fā)態(tài)分子，通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)換把部分能量轉(zhuǎn)移給周圍的分子，自己回到比較低電子激發(fā)態(tài)的比較低振動(dòng)能級(jí)。處于比較低電子激發(fā)態(tài)的比較低振動(dòng)能級(jí)的分子的平均壽命大約在10s左右。這時(shí)它不是通過(guò)內(nèi)轉(zhuǎn)換的方式來(lái)消耗能量，回到基態(tài)，而是通過(guò)發(fā)射出相應(yīng)的光量子來(lái)釋放能量，回到基態(tài)的各個(gè)不同的振動(dòng)能級(jí)時(shí)，就發(fā)射熒光。因?yàn)樵诎l(fā)射熒光以前已經(jīng)有一部分能量被消耗，所以發(fā)射的熒光的能量要比吸收的能量小，也就是熒光的特征波長(zhǎng)要比吸收的特征波長(zhǎng)來(lái)的長(zhǎng)。靈長(zhǎng)類多光子顯微鏡焦點(diǎn)激發(fā)