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新型光学成像技术——双光子荧光显微镜

光学成像技术一直以来都是生物学研究的重要手段。传统的荧

光显微镜通过荧光标记物的发光来研究生物分子和细胞的功能，

但由于深度限制和荧光标记对细胞和生物体的影响，限制了研究

深度和准确程度。然而双光子荧光显微镜的出现改变了这个现状，

具备高分辨率、深度成像和非侵入性标记等特点。

一、双光子荧光显微镜的原理

双光子荧光显微镜的成像原理是利用非线性荧光效应——双光

子激发荧光效应，当两个光子的能量合成能够与荧光分子的跃迁

能量匹配时，荧光分子受到激发，发生荧光发射。

与传统的单光子激发荧光不同，双光子激发荧光只在聚焦点产

生明显的荧光信号。这是因为在双光子激发荧光中，荧光产生需

要两个光子的同步作用。这种非线性过程不利于在样品各个层次

产生荧光信号。因此，在使用双光子荧光显微镜进行样品成像时，

只在聚焦点周围的小范围内进行信号的检测，从而能够获得更高

的分辨率和更深的成像深度。

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二、双光子荧光显微镜的特点

1.非侵入性成像

传统的荧光显微镜需要生物体或细胞中荧光标记物的标记才能

进行成像。而双光子荧光显微镜不需要使用任何外部标记物，可

以直接在生物体中进行成像。这种非侵入式成像能力使得双光子

荧光显微镜在活体成像和组织工程等应用方面有着广阔的应用前

景。

2.高分辨率成像

由于双光子荧光显微镜的成像原理，只在聚焦点周围的小范围

内进行信号的检测，能够获得更高的分辨率。深度成像时，同样

具备更高的分辨率，在成像深度达到300μm时，其分辨率保持在

数百奈米量级。

3.深度成像

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双光子荧光显微镜能够获得更深的成像深度。传统的荧光显微

镜在成像深度达到几十微米之后，即使在同样的条件下，荧光信

号的强度会急剧减弱，因此限制了深度成像的应用范围。而双光

子荧光显微镜能够在成像深度达到1mm时，仍然能够获得较高的

荧光信号强度和分辨率。

三、双光子荧光显微镜的应用

1.细胞成像

双光子荧光显微镜能够对单个细胞进行成像，展示细胞内分子

的构成和运动过程，以及细胞能量代谢和信号传递的机制等。

2.活体成像

双光子荧光显微镜能够在活体中进行成像，例如观察小鼠脑活

动、心肌代谢等，对观察生物体内部过程具有极大的帮助。

3.神经系统成像

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双光子荧光显微镜在成像神经系统方面具有很大的应用价值。

通过对神经元和突触的成像和跟踪，能够研究神经网络的形成和

发展，以及神经发生性疾病的机制等。

四、发展趋势

随着双光子荧光显微镜的进一步发展和应用，其在医学、生物

学等领域的重要性将会越来越大。研究人员的目标是进一步提高

双光子荧光显微镜的分辨率和成像深度，以及丰富其成像模式，

使之更好的服务于生物医学研究和医学临床应用的需要。

总结

双光子荧光显微镜的出现，使得我们能够直接观察细胞层面的

生命机制，并且解决了以往传统荧光显微镜局限的问题，实现了

深度成像、非侵入性成像以及高分辨率成像等重要功能。未来，

双光子荧光显微镜将会进一步发展，成为生命科学和医学领域的