雙光子之源：飛秒激光雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因?yàn)橛辛思す獠诺玫綄?shí)驗(yàn)驗(yàn)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(qiáng)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。基于以上分析，能夠以高重頻(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(qiáng)低無法被激發(fā)，所以雙光子成像更清晰。雙光子顯微鏡除了可以進(jìn)行厚的組織樣品拍攝以外呢，可以在小鼠的的任何部位進(jìn)行成像。進(jìn)口激光熒光雙光子顯微鏡光損傷

Itrytoexplainwhytwo-photonmicroscopyhasadeeperimagingdepththanone-photonmicroscopy,intheareaofbiomedicalimaging.Manyofthebiomedicalimagingmodalities,nomatterone-photon(confocal)ormulti-photon(two-photon),uselasersaslightsourceandrequirecompatiblefluorescentdyes.Fluorescentdyeshavetheirownexcitationwavelength,andtheycaneitherbeexcitedbyasinglephotonwiththephotonenergyofthatexcitationwavelength(E=hv=h*c/λ);orbytwophotons,arrivingalmostatthesametime,buteachwithapproximatelyhalfoftheenergy,henceofdoublewavelengththanone-photon(0.5E->2λ).Theformeristheprincipleofone-photonmicroscopyandthelatteristheprincipleoftwo-photonmicroscopy.Whenimagingthesamefluorescentdye,sincetwo-photoncoulduseapproximatelydoubledwavelengthcomparedwithsingle-photon,two-photoncanobviouslypenetrateddeeperintothetissueduetolessscattering(longerwavelength,lessscattering).雙光子顯微鏡光毒性雙光子顯微鏡將得到更大的發(fā)展與更廣的應(yīng)用。

在深度組織中以較長時間對活細(xì)胞成像，雙光子顯微鏡是當(dāng)前之選。雙光子和共聚焦顯微鏡都是通過激光激發(fā)樣品中的熒光標(biāo)記，使用探測器測量被激發(fā)的熒光。但是，共聚焦一般使用單模光纖耦合激光器，通過單光子激發(fā)熒光，而雙光子使用飛秒激光器，通過幾乎同時吸收兩個長波光子激發(fā)熒光。下面是兩種技術(shù)的對比圖。雙光子激發(fā)熒光的主要優(yōu)勢：雙光子比共聚焦使用的更長的波長，所以對組織的損傷更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般為100微米，雙光子則能達(dá)到250到500微米，甚至超過1毫米。另外，同時吸收兩個光子意味只有較強(qiáng)度聚焦點(diǎn)處能被激發(fā)，所以不會損傷焦平面之外的組織，并且生成更清晰的圖像。

FHIRM-TPM 2.0擴(kuò)大了微型雙光子顯微鏡的適用性和實(shí)用性，使神經(jīng)科學(xué)家能夠更自由地探索更多新的行為范式，包括身體運(yùn)動、長時程的復(fù)雜過程，如學(xué)習(xí)和記憶，社會互動和恐懼條件反射，甚至是慢性疾病的進(jìn)展和老化，如神經(jīng)發(fā)生和再生，疾病進(jìn)展和衰老，以破譯大腦的奧秘。在一批“早鳥項(xiàng)目”中，該系統(tǒng)已被多個研究組應(yīng)用于不同的模式動物和行為范式，如小鼠的社交新穎性識別、斑胸草雀受***調(diào)控后大腦特定神經(jīng)元變化、新型神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿探針的傳導(dǎo)適應(yīng)性分析以及獼猴三腦區(qū)成像等多項(xiàng)研究。依托兩代微型化雙光子成像技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)還在南京市江北新區(qū)建立了規(guī)?；咄磕X功能成像的南京腦觀象臺（Nanjing Brian Observatory），于2020年12月10日舉辦了落成典禮。通過與世界范圍內(nèi)的神經(jīng)科學(xué)家進(jìn)行廣合作，腦觀象臺現(xiàn)正在服務(wù)三十多個科研項(xiàng)目，成為開展大型腦科學(xué)問題研究的重要科研服務(wù)平臺。雙光子顯微鏡能夠進(jìn)行指標(biāo)成像；

光學(xué)顯微鏡從1590年發(fā)明以來，不斷發(fā)展，促進(jìn)生命科學(xué)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(xué)的發(fā)展不斷給光學(xué)顯微鏡提出新的要求，促使成像理論和技術(shù)持續(xù)更新迭代。科學(xué)進(jìn)入21世紀(jì)，人們已經(jīng)不滿足于在體外研究細(xì)胞和組織，需要能夠更真實(shí)地探索生命，在體內(nèi)實(shí)時觀察細(xì)胞的發(fā)生和變化。此時，雙光子顯微鏡進(jìn)入了科學(xué)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350 nm光的激發(fā)下發(fā)出450 nm熒光；而在雙光子激發(fā)時，可采用700 nm的激發(fā)光得到450 nm熒光。雙光子顯微鏡能夠在細(xì)胞甚至是亞細(xì)胞水平上對神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、離子濃度、細(xì)胞運(yùn)動、進(jìn)行直接成像監(jiān)測。雙光子顯微鏡光毒性

由于雙光子顯微鏡使用的是可見光或近紅外光作為激發(fā)光源，適用于長時間的研究。進(jìn)口激光熒光雙光子顯微鏡光損傷

雙光子顯微鏡的應(yīng)用由于適合動態(tài)成像，雙光子顯微鏡一經(jīng)問世便很快應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)、遺傳發(fā)育、藥物代謝等領(lǐng)域。雙光子顯微鏡能夠在細(xì)胞甚至是亞細(xì)胞水平上對***神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、離子濃度、細(xì)胞運(yùn)動、分子相互作用等進(jìn)行直接成像監(jiān)測，而且能夠進(jìn)行光裂解、光轉(zhuǎn)染和光損傷等光學(xué)操縱。同時，雙光子顯微鏡能動態(tài)監(jiān)測**在體內(nèi)的生長和轉(zhuǎn)移，并可對**治療過程中*細(xì)胞的變化進(jìn)行實(shí)時觀測和評估。隨著光學(xué)技術(shù)、熒光探針技術(shù)、計(jì)算機(jī)成像技術(shù)的發(fā)展，雙光子顯微技術(shù)會得到更大提升和更廣的應(yīng)用，未來不僅用于基礎(chǔ)研究，也將擴(kuò)展到臨床應(yīng)用。進(jìn)口激光熒光雙光子顯微鏡光損傷