細胞內鈣離子作為重要的信號分子其作用具有時間性和空間性。當個細胞興奮時，產生了一個電沖動，此時，細胞外的鈣離子流入該細胞內，促使該細胞分泌神經遞質，神經遞質與相鄰的下一級神經細胞膜上的蛋白分子結合，促使這一級神經細胞產生新的電沖動。以此類推，神經信號便一級一級地傳遞下去，從而構成復雜的信號體系，終形成學習、記憶等大腦的高級功能。在哺乳動物神經系統中，鈣離子同樣扮演著重要的信號分子的角色。靜息狀態下大部分神經元細胞內鈣離子濃度約為50-100nM，而細胞興奮時鈣離子濃度能瞬間上升10-100倍，增加的鈣離子對于突觸囊泡胞吐釋放神經遞質的過程必不可少。眾所周知，只有游離鈣才具有生物學活性，而細胞質內鈣離子濃度由鈣離子的內外流平衡所決定，同時也受鈣結合蛋白的影響。細胞外鈣離子內流的方式有很多種，其中包括電壓門控鈣離子通道、離子型谷氨酰胺受體、煙堿型膽堿能受體（nAChR）和瞬時受體電位C型通道（TRPC）等。神經元鈣成像的原理就是利用特殊的熒光染料或鈣離子指示劑將神經元中鈣離子濃度的變化通過熒光強度表現出來，以反映神經元活性。該方法可以同時觀察多個功能或位置相關的腦細胞。雙光子顯微鏡在各領域研究中已有許多成功實例；美國激光雙光子顯微鏡熒光探測

雙光子之源：飛秒激光：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發明雙光子顯微鏡又用了將近30年。要理解雙光子的技術挑戰和飛秒激光發揮的重要作用，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，所以關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)的飛秒激光器成了雙光子顯微鏡的標準激發光源。這也再次說明雙光子顯微鏡的優勢：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，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。除了固態光源優勢，鈦寶石激光器還具有較寬的近紅外波長調諧范圍，而近紅外相比可見光穿透更深，對生物樣品損傷更小。進口ultimainvestigator雙光子顯微鏡廠家雙光子顯微鏡已延伸到各個領域研究中，它能對樣品進行三維觀察。

其實電子顯微鏡相比于光學顯微鏡的重要優勢或者存在的比較大意義，準確的來說，不在于放大倍數，而在于超高的分辨率。這兩者是不同的。通俗的來說，就是進行觀察的時候，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。如果兩個相鄰微粒的圖像在光學顯微鏡下，即使放大到很大，看到的可能卻是兩個相交的亮斑（艾里斑），而沒有明顯的界限（更不用說細節了），這表示是分辨率不夠。拋開分辨率談放大倍數是沒有意義的。光學顯微鏡的分辨率極限是阿貝極限，約等于光波波長的一半，通常被說成是光學顯微鏡放大極限，其實準確地來說，應該叫做分辨率的極限。而其產生的原因是光的衍射，根本原因是光的波粒二象性。電子衍射實驗證明了電子的波動性，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，根據其周期性的特點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換到實空間，得到真正的晶體表面圖像了。

雙光子顯微鏡的優勢相比普通的顯微鏡電子顯微鏡可以觀察尺度更小的東西，冷凍電鏡更是可以觀察有活性的生物大分子，而雙光子顯微鏡有什么優勢呢？它能做到什么普通光學顯微鏡做不到的事情嗎？原來，雙光子顯微鏡可以精確穿透較厚標本進行定點、觀察！由于電磁波的波長越短，粒子性越強，受散射影響也就越大。雙光子顯微鏡將激發光源改為長波長激光，在增加了激光的穿透性的同時還減少了對細胞的毒性。除此之外，因為只有物鏡焦點處能發生雙光子激發效應，所以掃描的精確度極高，也能提高激發光效率，減少被掃描點之外的熒光物質消耗。雙光子顯微鏡可以精確穿透較厚標本進行定點、有生命體的觀察！

在深度組織中以較長時間對活細胞成像，雙光子顯微鏡是當前之選。雙光子和共聚焦顯微鏡都是通過激光激發樣品中的熒光標記，使用探測器測量被激發的熒光。但是，共聚焦一般使用單模光纖耦合激光器，通過單光子激發熒光，而雙光子使用飛秒激光器，通過幾乎同時吸收兩個長波光子激發熒光。雙光子激發熒光的主要優勢：雙光子比共聚焦使用的更長的波長，所以對組織的損傷更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般為100微米，雙光子則能達到250到500微米，甚至超過1毫米。另外，同時吸收兩個光子意味只有度聚焦點處能被激發，所以不會損傷焦平面之外的組織，并且生成更清晰的圖像。雙光子顯微鏡觀察到的現象證明了鈣離子的增加依賴于肌體觸發的鈉離子作用電勢。國外investigator雙光子顯微鏡商家

雙光子顯微鏡在各領域研究中已有許多成功實例。美國激光雙光子顯微鏡熒光探測

1990年初，當WinfriedDenk剛從康奈爾大學博士畢業準備前往瑞士讀博后時，他看了一本關于激光掃描顯微鏡的書，從中了解到非線性光學效應——強光和物質的相互作用。當時，Denk有同事研究生物樣品中的鈣離子但苦于沒有強大的紫外激光器和光學元件，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，與其通過一個紫外光子激發標記的鈣離子，通過兩個雙倍波長的可見光光子也能激發相同的熒光。有了想法后馬上實驗。借了一套染料飛秒激光器，Denk聯合他的導師WattWebb及其博士生JamesStrickler只用六個小時就完成了實驗搭建，采集數據則用了兩到三天，于是一篇里程碑式的文章就此誕生了。美國激光雙光子顯微鏡熒光探測

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