在多光子顯微鏡（也稱為非線性或雙光子顯微鏡）中，以兩倍正常激發(fā)波長照射樣品。更長的波長是有利的，因為它們可以更深地穿透樣品進行3D成像，并且因為它們不會損壞樣品，從而延長樣品壽命。為了實現(xiàn)多光子激發(fā)，照明光束在空間上聚焦（使用光學器件），同時使用高能短脈沖激發(fā)光束以提高兩個（或更多）光子同時到達同一位置（即熒光團分子）的概率。多光子顯微技術(shù)的例子包括二次諧波產(chǎn)生(SHG)、三次諧波產(chǎn)生(THG)、相干反斯托克斯拉曼光譜(CARS)和受激發(fā)射耗盡(STED)顯微技術(shù)。由于這些技術(shù)中的每一種都使用脈沖激光器，因此選擇能夠比較大限度地減少脈沖色散的光學組件很重要，并且激光反射二向色鏡應(yīng)具有低GDD特性。雙光子顯微鏡可以在保持細胞活性的情況下進行成像，這對于研究細胞生理學和生物化學過程非常有用。飛秒激光多光子顯微鏡峰值功率密度

ＳｔｅｒｎａｎｄＪｅａｎＭａｒｘ在評論中說：祖家能夠在更為精細的層次研究樹突的功能，這在以前是完全不可能的。新的技術(shù)（如腦片的膜片鉗和雙光子顯微使人們對樹突的計算和神經(jīng)信號處理中的作用有了更好的理解。他們解釋了是樹突模式和形狀多樣性，及其獨特的電、及其獨特的電化學特征使神經(jīng)元完成了一系列的專門任務(wù)。雙光子與共聚焦在發(fā)育生物學中的應(yīng)用雙光子∶每2.5分鐘掃描一次，觀察24小時，發(fā)育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦∶每15分鐘掃描一次，觀察8小時后細胞分裂停止，不能發(fā)育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦激發(fā)時的細胞存活率為多光子系統(tǒng)的10～20%。美國多光子顯微鏡代理商滔博生物多光子顯微鏡廣應(yīng)用于生命科學、生物醫(yī)學和材料科學領(lǐng)域!

有許多方法可以實現(xiàn)快速光柵掃描，例如使用振鏡進行快速2D掃描，以及將振鏡與可調(diào)電動透鏡相結(jié)合進行快速3D掃描。而可調(diào)電動式鏡頭由于機械慣性的限制，無法在軸向快速切換焦點，影響成像速度?，F(xiàn)在它可以被空間光調(diào)制器(SLM)取代。遠程對焦也是實現(xiàn)3D成像的一種手段，如圖2所示。LSU模塊中，掃描振鏡水平掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過調(diào)整M的位置實現(xiàn)軸向掃描該技術(shù)不僅可以校正主物鏡L2引入的光學像差，還可以進行快速軸向掃描。為了獲得更多的神經(jīng)元成像，可以通過調(diào)整顯微鏡的物鏡設(shè)計來放大FOV。然而，大NA和大FOV的物鏡通常很重，不能快速移動以進行快速軸向掃描，因此大FOV系統(tǒng)依賴于遠程聚焦、SLM和可調(diào)電動透鏡。

快速光柵掃描有多種實現(xiàn)方式，使用振鏡進行快速2D掃描，將振鏡和可調(diào)電動透鏡結(jié)合在一起進行快速3D掃描，但可調(diào)電動透鏡由于機械慣性的限制在軸向無法快速進行焦點切換，影響成像速度，現(xiàn)可使用空間光調(diào)制器（SLM）代替。遠程聚焦也是一種實現(xiàn)3D成像的手段。在LSU模塊中，掃描振鏡進行橫向掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過調(diào)控M的位置實現(xiàn)軸向掃描。該技術(shù)不僅可以校正主物鏡L2引入的光學像差，還可以進行快速的軸向掃描。想要獲得更多神經(jīng)元成像，可以通過調(diào)整顯微鏡的物鏡設(shè)計來擴大FOV，但是具有大NA和大FOV的物鏡通常重量較大，無法快速移動以進行快速軸向掃描，因此大型FOV系統(tǒng)依賴于遠程聚焦、SLM和可調(diào)電動透鏡。多光子顯微鏡的分辨率比傳統(tǒng)的單光子共聚焦要低的多。

當細胞受到外界刺激時，隨著刺激時間的增加，即使繼續(xù)刺激，Ca2+熒光信號也不會繼續(xù)增強，反而會減弱，直至恢復(fù)到無刺激時的水平。對于細胞受精過程中Ca2+熒光信號的變化，發(fā)現(xiàn)粘附過程中Ca2+熒光信號沒有變化，但當配子融合時，Ca2+熒光信號強度出現(xiàn)一個不穩(wěn)定的峰值，持續(xù)數(shù)分鐘。這些現(xiàn)象對于研究受精發(fā)育的早期信號以及Ca2+在卵子和受精卵發(fā)育中的作用具有重要意義。在其他生理過程中，如細胞分裂和胞吐，Ca2+熒光信號的強度也會發(fā)生很大的變化。利用多光子顯微鏡的光遺傳學操作能力，我們可以對某類神經(jīng)元的ji活和失活進行高精度的操作。美國飛秒激光多光子顯微鏡系統(tǒng)

多光子激光掃描顯微鏡更能解決生物組織中深層物質(zhì)的層析成像問題, 擴大了應(yīng)用范圍。飛秒激光多光子顯微鏡峰值功率密度

現(xiàn)代分子生物學技術(shù)的迅速發(fā)展和科技的進步，特別是隨著后基因組時代的到來，人們已經(jīng)能夠根據(jù)需要建立各種細胞模型，為在體研究基因表達規(guī)律、分子間的相互作用、細胞的增殖、細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、誘導(dǎo)分化、細胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物學條件。然而，盡管人們利用現(xiàn)有的分子生物學方法，已經(jīng)對基因表達和蛋白質(zhì)之間的相互作用進行了深入、細致的研究，但仍然不能實現(xiàn)對蛋白質(zhì)和基因活動的實時、動態(tài)監(jiān)測。在細胞的生理過程中，基因、尤其是蛋白質(zhì)的表達、修飾和相萬作用往往發(fā)生可逆的、動態(tài)的變化。目前的分子生物學方法還不能捕獲到蛋白質(zhì)和基因的這些變化，但獲取這些信息對與研究基因的表達和蛋白質(zhì)之間的相互作用又至關(guān)重要。因此，發(fā)展能用于、動態(tài)、實時、連續(xù)監(jiān)測蛋白質(zhì)和基因活動的方法非常必要。飛秒激光多光子顯微鏡峰值功率密度