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準激發(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。WinfriedDenk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。雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖器。國外2PPLUS雙光子顯微鏡成像視野

從雙光子的原理和特點，我們可以清楚地得出雙光子的優(yōu)點:☆光損傷小:由于雙光子顯微鏡采用可見光或近紅外光作為激發(fā)光源，因此該波段的光對細胞和組織的光損傷很小，適合長期研究；☆穿透能力強:與紫外光相比，可見光和近紅外光的穿透能力更強，因此受生物組織散射的影響更小，解決了生物組織深層物質(zhì)的層析成像問題；☆高分辨率:由于雙光子吸收的截面很小，只能在焦平面很小的區(qū)域激發(fā)熒光，雙光子吸收被限制在焦點處體積約為波長三次方的范圍內(nèi)；☆漂白區(qū)域小:由于激發(fā)只存在于交點處，焦點外的區(qū)域不會發(fā)生光漂白；☆熒光收集率高:與共焦成像相比，雙光子成像不需要濾光片(共焦)，提高了熒光收集率，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，瑞利散射產(chǎn)生的背景噪聲*為單光子激發(fā)產(chǎn)生的1/16，減少了散射的干擾；光子躍遷具有很強的選擇性激發(fā)，因此可以用來對生物組織中的一些特殊物質(zhì)進行成像；國外bruker雙光子顯微鏡分辨率是多少雙光子顯微鏡成像技術(shù)及不同轉(zhuǎn)基因小鼠開展對多種臟器的成像研究。

微型化雙光子熒光顯微成像改變了在自由活動動物中觀察細胞和亞細胞結(jié)構(gòu)的方式，可用于在動物覓食、哺乳、跳臺、打斗、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，長時程觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動態(tài)變化。該成果在2016年底美國神經(jīng)科學年會、2017年5月冷泉港亞洲腦科學專題會議上報告后，得到包括多位諾貝爾獎獲得者在內(nèi)的國內(nèi)外神經(jīng)科學家的高度贊譽。冷泉港亞洲腦科學專題會議、美國明顯神經(jīng)科學家加州大學洛杉磯分校的AlcinoJSilva教授在評述中寫道，“從任何一個標準來看，這款顯微鏡都了一項重大技術(shù)發(fā)明，必將改變我們在自由活動動物中觀察細胞和亞細胞結(jié)構(gòu)的方式。它所開啟的大門，甚至超越了神經(jīng)元和樹突成像。系統(tǒng)神經(jīng)生物學正在進入一個新的時代，即通過對細胞群體中可辨識的細胞和亞細胞結(jié)構(gòu)的復雜生物學事件進行成像觀測。

新一代微型化雙光子熒光顯微成像系統(tǒng)的成功研制是國家重大科研儀器研制專項的一個碩果。它彰顯了北京大學在生物醫(yī)學成像領(lǐng)域先期布局的前瞻性，鍛煉了一支以年輕PI和碩博研究生為主體、具有學科交叉背景和重要技術(shù)創(chuàng)新能力的“中國智造”隊伍。目前，該研發(fā)團隊正在領(lǐng)銜建設(shè)“多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學成像”十三五國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，積極參與即將啟動的中國腦科學計劃。可以期待，微型化雙光子熒光顯微成像系統(tǒng)將為實現(xiàn)“分析腦、理解腦、模仿腦”的戰(zhàn)略目標發(fā)揮不可或缺的重要作用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。

雙光子技術(shù)在醫(yī)學診斷方面有著巨大的應用潛力。這方面沒有標準和體系，需要系統(tǒng)的醫(yī)學研究和龐大的醫(yī)學數(shù)據(jù)支撐。通過基于多光子成像技術(shù)研究細胞結(jié)構(gòu)、生化成分、微環(huán)境、組織形態(tài)、代謝功能的影響信息，可以發(fā)現(xiàn)與細胞學、分子生物學、組織病理學、疾病的診斷和特征的關(guān)系。共同探索生理病理基礎(chǔ)和分子細胞生物學機制，篩選皮膚病、自身免疫性疾病等疑難疾病的識別、診斷和鑒別診斷依據(jù)，建立全新完整的多光子細胞診斷數(shù)據(jù)庫，明確不同疾病的多光子臨床檢測設(shè)備產(chǎn)品標準。在討論環(huán)節(jié)，來自病理科、呼吸中心、心內(nèi)科、神經(jīng)內(nèi)科、皮膚科、研究所的多位醫(yī)生和科研人員結(jié)合各自的工作領(lǐng)域，與王愛民副教授進行了熱烈的討論。其中，毛發(fā)中心楊頂權(quán)主任擬再次邀請王愛民副教授進行學術(shù)交流。通過此次學術(shù)交流，病理學系和研究所分別與王愛民副教授課題組達成了初步合作意向。雙光子顯微鏡大量運營在實驗室當中；國內(nèi)ultima雙光子顯微鏡授權(quán)供應商

雙光子顯微鏡知多少。國外2PPLUS雙光子顯微鏡成像視野

TOPTICAFemtoFiberultra920超快光纖激光器是一種易于操作和免維護的激光系統(tǒng)其輸出波長為920nm，非常適合常規(guī)熒光基團(如GFP、eGFP、曙紅、GCaMP、CFP、鈣黃綠素或金星)的雙光子激發(fā)。它可以為熒光基團提供相對較高的峰值功率，常用于神經(jīng)科學和其他與激光相關(guān)的光子學。此外，其獨特的設(shè)計(簡單和經(jīng)濟的光源)具有創(chuàng)新雙光子熒光顯微鏡發(fā)展的潛力。在雙光子顯微鏡中，峰值功率就是亮度！如果你想獲得更好的圖像亮度，那么你需要短脈沖，高功率，更重要的是，干凈的時間脈沖形狀。FemtoFiberultra920具有足夠高的輸出功率、短脈沖、獨特的Clean-Pulse技術(shù)和相對較高的峰值功率，這使得在雙光子顯微鏡中實現(xiàn)****亮度而無需對樣品進行不必要的加熱成為可能。FemtoFiberultra920全包式、完全集成的色散補償(可確保樣品處的短脈沖)、內(nèi)置電源控制、直觀的操作及其堅固緊湊的設(shè)計使系統(tǒng)具有非常友好的用戶體驗，是非線性顯微鏡應用的良好解決方案。例如，熒光蛋白的雙光子激發(fā)和基于SHG的對比機制國外2PPLUS雙光子顯微鏡成像視野