要想讓激發激光進入更深的層面，大致可從兩個方面入手，裝置優化與標本改造。關于裝置優化，我們可以把激光束變得更細，使能量更加集中，就能讓激光穿透更深。關于標本，其中影響光傳播的主要是物質吸收和散射，解決這個問題，我們需要對樣本進行透明化處理。一種方法是運用某種物質將標本浸泡，使其中的物質（主要是脂質）被破壞或溶解。另一種方法是運用電泳將脂質電解，讓標本“透明度”提高。高光子密度帶來的高能量容易損傷細胞，所以雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，其脈沖達到最大值所持續的周期只有十萬億分之一秒，而其頻率可以達到80至100兆赫，這樣即能達到雙光子激發的高光子密度要求，又能不損傷細胞，使掃描能更好地進行。雙光子顯微鏡能夠進行光裂解、光轉染和光損傷等光學操縱。美國ultimainvestigator雙光子顯微鏡的成像視野

首先，雙光子成像采用波長范圍約在700~1000nm的近紅外光激發，在組織中的散射系數較小，穿透性很好，因此非常適合厚樣本的觀察。同時，由于是近紅外光激發，也能避免樣品中激發波長較短的自發熒光物質的干擾，可獲得較強的熒光信號（如下圖）。所以雙光子成像具有較深的穿透力和較小的光毒性。通常在活物腦組織中雙光子顯微鏡有效成像深度可達200~500μm，能夠較好地進行三維成像。雙光子成像的另一大優勢在于精確的空間點聚焦性。一般條件下，物質只會被單光子激發，只有在光子密度足夠高的情況下，物質才會吸收兩個光子從而被激發，所以，雙光子只會在光子密度蕞高的物鏡焦點附近發生，很少產生焦平面外的雜散光（如下圖）。這種性質既提高了成像質量，也降低了樣本的光漂白、光損傷區域。基于這些優勢，使得雙光子顯微鏡非常適合對活細胞、活組織進行長時間在體成像。熒光雙光子顯微鏡磷光壽命計數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。

臨研所、病理科和科研處邀請北京大學王愛民副教授在2020年12月22日做了題目為“新一代微型雙光子顯微成像系統介紹及其在臨床醫療診斷”的學術報告。學術報告由臨研所醫學實驗研究平臺潘琳老師主持。王愛民，北京大學信息科學技術學院副教授，畢業于北京大學物理系，獲學士、碩士學位，后于英國巴斯大學物理系獲博士學位。該研究組研發的微型雙光子顯微鏡，第1次在國際上獲得了小鼠大腦神經元和神經突觸清晰穩定的動態信號，該成果獲得了2017年度“中國光學進展”和“中國科學進展”，并被NatureMethods評為2018年度“年度方法--無限制行為動物成像”。目前，該研究組正在研究新一代雙光子顯微成像技術在臨床診斷中的應用，為未來即時病理、離體組織檢測、術中診斷等提供新型的影像手段和分析方法。

從雙光子的原理和特點我們就可以明顯的得出雙光子的優點：☆光損傷小：由于雙光子顯微鏡使用的是可見光或近紅外光作為激發光源，這一波段的光對細胞和組織的光損傷小，適用于長時間的研究；☆穿透能力強：相對于紫外光，可見光和近紅外光都具有更強的穿透能力，因而受生物組織散射的影響更小，解決對生物組織中深層物質的層析成像研究問題；☆高分辨率：由于雙光子吸收截面很小，只有在焦平面很小的區域內可以激發出熒光，雙光子吸收局限于焦點處的體積約為波長3次方的范圍內；☆漂白區域小：由于激發只存在于交點處，所以焦點以外的區域都不會發生光漂白現象；☆熒光收集率高：與共聚焦成像相比，雙光子成像不需要光學濾波器（共焦），這樣就提高了對熒光的收集率，而收集率的提高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，因而瑞利散射產生的背景噪聲只有單光子激發時的1/16，降低了散射的干擾；☆光子躍遷具有很強的選擇激發性，所以可以對生物組織中一些特殊物質進行成像的研究；雙光子顯微鏡可以在小鼠的的任何部位進行有生命體成像。

雙光子技術在醫學診斷方面有著巨大的應用潛力。這方面沒有標準和體系，需要系統的醫學研究和龐大的醫學數據支撐。通過基于多光子成像技術研究細胞結構、生化成分、微環境、組織形態、代謝功能的影響信息，可以發現與細胞學、分子生物學、組織病理學、疾病的診斷和特征的關系。共同探索生理病理基礎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，建立全新完整的多光子細胞診斷數據庫，明確不同疾病的多光子臨床檢測設備產品標準。在討論環節，來自病理科、呼吸中心、心內科、神經內科、皮膚科、研究所的多位醫生和科研人員結合各自的工作領域，與王愛民副教授進行了熱烈的討論。其中，毛發中心楊頂權主任擬再次邀請王愛民副教授進行學術交流。通過此次學術交流，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。雙光子顯微鏡可精確穿透較厚標本進行定點、有生命體的觀察！熒光雙光子顯微鏡磷光壽命計數

雙光子顯微鏡在生物醫學研究中有廣泛的應用，可以觀察細胞內的亞細胞結構、蛋白質分布、細胞活動等。美國ultimainvestigator雙光子顯微鏡的成像視野

在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時吸收兩個長波長的光子，然后發射出一個波長較短的光子，其效果和使用一個波長為長波長一半的光子去激發熒光分子是相同的（如下圖）。如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），在單光子激發時，在波長為350nm光的激發下發出450nm熒光；而在雙光子激發時，可采用750nm的激發光得到450nm熒光。由于雙光子激發需要很高的光子密度，為了不損傷細胞，雙光子顯微鏡使用高能量鎖模脈沖激光器。這種激光器發出的激光具有很高的峰值能量和很低的平均能量，從而可以減少光漂白和光毒性帶來的不利影響。美國ultimainvestigator雙光子顯微鏡的成像視野