Denk很快就將雙光子顯微鏡用于神經(jīng)元成像，而1997年在Svoboda測(cè)量完整老鼠大腦的錐體神經(jīng)元的感官刺激誘導(dǎo)樹突鈣離子動(dòng)態(tài)后，雙光子顯微鏡的潛能開始完全凸顯,。值得一提的是,，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)院Svoboda實(shí)驗(yàn)室和Thorlabs在2016年合作推出了一種強(qiáng)大的多光子介觀顯微鏡，其成像視場(chǎng)達(dá)到5毫米,，能夠跨多個(gè)腦區(qū)進(jìn)行高速功能成像,。根據(jù)清華大學(xué)單一采購來源的**指導(dǎo)意見：這種顯微鏡的視場(chǎng)是普通雙光子顯微鏡的10倍。30年來,，雙光子顯微鏡已成為較厚生物組織三維成像中不可或缺的工具,。從雙光子到三光子甚至四光子，這種非線性成像技術(shù)通常也被統(tǒng)稱為多光子顯微鏡,。下圖統(tǒng)計(jì)了自1990年以來每年發(fā)表的多光子顯微鏡文章數(shù)量,，發(fā)展速度可見一斑。對(duì)于顯微成像技術(shù)包含：寬場(chǎng)熒光顯微鏡,、激光共聚焦顯微鏡,、轉(zhuǎn)盤共聚焦顯微鏡、雙光子顯微鏡,。美國(guó)2PPLUS雙光子顯微鏡掃描深度

雙光子吸收理論早在1931年就由諾獎(jiǎng)得主提出,，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(chǎng)強(qiáng)度,，而電場(chǎng)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(duì)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(zhǎng)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(jí))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(shì)：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,。WinfriedDenk初使用的光源是染料飛秒激光器(100fs脈寬、630nm可見光波長(zhǎng)),。雖然染料激光器對(duì)于實(shí)驗(yàn)室演示尚可,，但是使用很不方便所以遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)商用。很快雙光子顯微鏡的標(biāo)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(shì),，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，而近紅外相比可見光穿透更深,，對(duì)生物樣品損傷更小,。美國(guó)2PPLUS雙光子顯微鏡掃描深度雙光子顯微鏡在各領(lǐng)域研究中已有許多成功實(shí)例。

1990年初,，當(dāng)WinfriedDenk剛從康奈爾大學(xué)博士畢業(yè)準(zhǔn)備前往瑞士讀博后時(shí),，他看了一本關(guān)于激光掃描顯微鏡的書，從中了解到非線性光學(xué)效應(yīng)——強(qiáng)光和物質(zhì)的相互作用,。當(dāng)時(shí),，Denk有同事研究生物樣品中的鈣離子但苦于沒有強(qiáng)大的紫外激光器和光學(xué)元件，于是他就想到如果使用雙光子吸收就能夠繞開紫外,，換言之,，與其通過一個(gè)紫外光子激發(fā)標(biāo)記的鈣離子，通過兩個(gè)雙倍波長(zhǎng)的可見光光子也能激發(fā)相同的熒光,。有了想法后馬上實(shí)驗(yàn),。借了一套染料飛秒激光器，Denk聯(lián)合他的導(dǎo)師WattWebb及其博士生JamesStrickler只用六個(gè)小時(shí)就完成了實(shí)驗(yàn)搭建,，采集數(shù)據(jù)則用了兩到三天,，于是一篇里程碑式的文章就此誕生了。

其實(shí)電子顯微鏡相比于光學(xué)顯微鏡的重要優(yōu)勢(shì)或者存在的比較大意義,，準(zhǔn)確的來說,，不在于放大倍數(shù)，而在于超高的分辨率,。這兩者是不同的,。通俗的來說,，就是進(jìn)行觀察的時(shí)候，除了要將物體放大,，還需要能將它與相鄰的其他物體分辨開來。如果兩個(gè)相鄰微粒的圖像在光學(xué)顯微鏡下,，即使放大到很大,，看到的可能卻是兩個(gè)相交的亮斑（艾里斑），而沒有明顯的界限（更不用說細(xì)節(jié)了）,，這表示是分辨率不夠,。拋開分辨率談放大倍數(shù)是沒有意義的。光學(xué)顯微鏡的分辨率極限是阿貝極限,，約等于光波波長(zhǎng)的一半,，通常被說成是光學(xué)顯微鏡放大極限，其實(shí)準(zhǔn)確地來說,，應(yīng)該叫做分辨率的極限,。而其產(chǎn)生的原因是光的衍射，根本原因是光的波粒二象性,。電子衍射實(shí)驗(yàn)證明了電子的波動(dòng)性,，于是用電子代替光的電子顯微鏡成為可能。電子顯微鏡也有多種,，題主說的是像REM的,。電鏡也存在用衍射規(guī)則觀察的，比如低能電子衍射（LEED）和透射電鏡（TEM）,。兩者主要用于觀察晶體,，根據(jù)其周期性的特點(diǎn)而生成倒易空間里的衍射圖像，借助elward球或者傅里葉變換就可以轉(zhuǎn)換到實(shí)空間,，得到真正的晶體表面圖像了,。雙光子顯微鏡將得到更大的發(fā)展與更廣的應(yīng)用。

配合雙光子激發(fā)技術(shù),，激光共聚掃描顯微鏡則能更好得發(fā)揮功效,。那么，什么是雙光子激發(fā)技術(shù)呢,？在高光子密度的情況下,，熒光分子可以同時(shí)吸收2個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子使電子躍遷到較高能級(jí)，經(jīng)過一個(gè)很短的時(shí)間后,，電子再躍遷回低能級(jí)同時(shí)放出一個(gè)波長(zhǎng)為長(zhǎng)波長(zhǎng)一半的光子（P=h/λ）,。利用這個(gè)原理，便誕生了雙光子激發(fā)技術(shù),。雙光子顯微鏡使用長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖激光,，通過物鏡匯聚,，由于雙光子激發(fā)需要很高的光子密度，而物鏡焦點(diǎn)處的光子密度是比較高的,，所以只有在焦點(diǎn)處才能發(fā)生雙光子激發(fā),，產(chǎn)生熒光，該點(diǎn)產(chǎn)生的熒光再穿過物鏡,，被光探頭接收,，從而達(dá)到逐點(diǎn)掃描的效果。雙光子顯微鏡可以進(jìn)行厚的組織樣品拍攝,。美國(guó)2PPLUS雙光子顯微鏡掃描深度

雙光子顯微鏡能夠在細(xì)胞甚至是亞細(xì)胞水平上對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu),、離子濃度、細(xì)胞運(yùn)動(dòng),、進(jìn)行直接成像監(jiān)測(cè),。美國(guó)2PPLUS雙光子顯微鏡掃描深度

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(guó)家重大科研儀器研制專項(xiàng)的一個(gè)碩果。它彰顯了北京大學(xué)在生物醫(yī)學(xué)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(xué)科交叉背景和重要技術(shù)創(chuàng)新能力的“中國(guó)智造”隊(duì)伍。目前,，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在領(lǐng)銜建設(shè)“多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像”十三五國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,，積極參與即將啟動(dòng)的中國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃?？梢云诖?，微型化雙光子熒光顯微成像系統(tǒng)將為實(shí)現(xiàn)“分析腦、理解腦,、模仿腦”的戰(zhàn)略目標(biāo)發(fā)揮不可或缺的重要作用美國(guó)2PPLUS雙光子顯微鏡掃描深度

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