细胞内钙离子作为重要的信号分子其作用具有时间性和空间性。当个细胞兴奋时，产生了一个电冲动，此时，细胞外的钙离子流入该细胞内，促使该细胞分泌神经递质，神经递质与相邻的下一级神经细胞膜上的蛋白分子结合，促使这一级神经细胞产生新的电冲动。以此类推，神经信号便一级一级地传递下去，从而构成复杂的信号体系，终形成学习、记忆等大脑的高级功能。在哺乳动物神经系统中，钙离子同样扮演着重要的信号分子的角色。静息状态下大部分神经元细胞内钙离子浓度约为50-100nM，而细胞兴奋时钙离子浓度能瞬间上升10-100倍，增加的钙离子对于突触囊泡胞吐释放神经递质的过程必不可少。众所周知，只有游离钙才具有生物学活性，而细胞质内钙离子浓度由钙离子的内外流平衡所决定，同时也受钙结合蛋白的影响。细胞外钙离子内流的方式有很多种，其中包括电压门控钙离子通道、离子型谷氨酰胺受体、烟碱型胆碱能受体（nAChR）和瞬时受体电位C型通道（TRPC）等。神经元钙成像的原理就是利用特殊的荧光染料或钙离子指示剂将神经元中钙离子浓度的变化通过荧光强度表现出来，以反映神经元活性。该方法可以同时观察多个功能或位置相关的脑细胞。双光子显微镜还可以对一些具有特性的染料细胞进行实验，还有一些短波长可以利用双光子特性进行特定实验。美国ultima双光子显微镜成像技术

从双光子的原理和特点我们就可以明显的得出双光子的优点：☆光损伤小：由于双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为激发光源，这一波段的光对细胞和组织的光损伤小，适用于长时间的研究；☆穿透能力强：相对于紫外光，可见光和近红外光都具有更强的穿透能力，因而受生物组织散射的影响更小，解决对生物组织中深层物质的层析成像研究问题；☆高分辨率：由于双光子吸收截面很小，只有在焦平面很小的区域内可以激发出荧光，双光子吸收局限于焦点处的体积约为波长3次方的范围内；☆漂白区域小：由于激发只存在于交点处，所以焦点以外的区域都不会发生光漂白现象；☆荧光收集率高：与共聚焦成像相比，双光子成像不需要光学滤波器（共焦），这样就提高了对荧光的收集率，而收集率的提高直接导致图像对比度的提高；☆图像对比度高：由于荧光波长小于入射波长，因而瑞利散射产生的背景噪声只有单光子激发时的1/16，降低了散射的干扰；☆光子跃迁具有很强的选择激发性，所以可以对生物组织中一些特殊物质进行成像的研究；国内荧光双光子显微镜最大分辨率双光子显微镜能够进行指标成像；

双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主MariaGoeppertMayer提出，30年后因为有了激光才得到实验验证，但是到WinfriedDenk发明双光子显微镜又用了将近30年。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用，首先要了解其中的非线性过程。双光子吸收相当于和频产生非线性过程，这要求极高的电场强度，而电场取决于聚焦光斑大小和激光脉宽。聚焦光斑越小，脉宽越窄，双光子吸收效率越高。对于衍射极限显微镜，聚焦在样品上的光斑大小只和物镜NA和激光波长有关，所以关键变量只剩下激光脉宽。基于以上分析，能够以高重频(100MHz)输出超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光器成了双光子显微镜的标准激发光源。这也再次说明双光子显微镜的优势：只有焦平面处才能形成双光子吸收，而焦平面之外由于光强低无法被激发，所以双光子成像更清晰。WinfriedDenk初使用的光源是染料飞秒激光器(100fs脉宽、630nm可见光波长)。虽然染料激光器对于实验室演示尚可，但是使用很不方便所以远未实现商用。很快双光子显微镜的标配光源就变成了飞秒钛宝石激光器。除了固态光源优势，钛宝石激光器还具有较宽的近红外波长调谐范围，而近红外相比可见光穿透更深，对生物样品损伤更小。

双光子显微镜是一种先进的成像技术，能够实现细胞或组织的深层观察。它的主要特点是使用双光子激发来产生荧光，从而实现对生物样品的高分辨率成像。双光子显微镜的工作原理是利用激光的脉冲宽度极窄的特性，将高能激光束聚焦到生物样品中，激发出荧光。这个过程需要使用一个特殊的双光子激发源，它能够将一个光子转换为两个光子，其中一个光子用于激发荧光，另一个光子则用于成像。双光子显微镜具有以下优点：高分辨率：由于双光子激发的特性，可以实现对生物样品的高分辨率成像，特别是对于深层组织的观察。穿透深度大：双光子激光的波长较长，能够更好地穿透生物组织，从而实现对深层细胞的观察。荧光寿命长：双光子激发产生的荧光寿命比单光子激发产生的荧光寿命长，这使得双光子显微镜能够更好地区分不同的荧光标记物。减少光毒性：由于双光子激发的能量较低，因此对生物样品的损伤较小，可以减少光毒性。总之，双光子显微镜是一种非常有用的成像技术，可以用于生物学、医学、材料科学等领域的研究。双光子显微镜工作原理是利用两个光子的能量相加达到荧光激发能量阈值，来激发样品中荧光分子发出荧光信号。

有了双光子激发技术，激光共聚扫描显微镜可以发挥更好的作用。那么，什么是双光子激发技术呢？在光子密度较高的情况下，荧光分子可以同时吸收两个波长较长的光子，使电子跃迁到更高的能级。短时间后，电子跳回到较低的能级，发出波长为长波长一半的光子(P=h/λ)。利用这个原理，双光子激发技术诞生了。双光子显微镜使用长波长脉冲激光通过物镜会聚。由于双光子激发需要很高的光子密度，物镜焦点处的光子密度比较高，所以双光子激发只能发生在焦点处产生荧光，该点产生的荧光穿过物镜，被光学探头接收，从而达到逐点扫描的效果。双光子显微镜知多少。国内荧光双光子显微镜最大分辨率

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美国霍华德·休斯医学研究所在JaneliaFarmResearchCampus的吉娜博士小组与来自中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室的王琛博士较近成功将一种新的自适应光学的方法和双光子显微镜结合，研制出一种新的自适应光学双光子荧光显微镜。通过校正小鼠大脑的像差，在视觉皮层的不同深度处均获得了提高数倍的成像分辨率和信号强度，明显改进了成像质量，使得原来在鼠脑中不可见或者模糊的细节变得清晰可见，她们成功将该方法应用于老鼠视觉皮层第五层（约500µm）的形貌结构成像和钙离子功能成像。这一新的自适应光学方法，使得在小鼠深层区域成像中获得近衍射极限的成像分辨率成为现实。这一成果发表在较新一期的《NatureMethods》。美国ultima双光子显微镜成像技术

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