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。該方法可以同時去觀察多個功能或位置相關的腦細胞。雙光子顯微鏡工作原理是利用兩個光子的能量相加達到熒光激發能量閾值，來激發樣品中熒光分子發出熒光信號。進口激光熒光雙光子顯微鏡光毒性

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。進口激光熒光雙光子顯微鏡光毒性雙光子顯微鏡還可以對一些具有雙光子特性的染料細胞進行特定實驗；

王愛民副教授結合工作實例，展示了雙光子顯微鏡的研發與應用。歷經3年多的協同奮戰，成功研制新一代高速分辨微型化雙光子熒光顯微鏡，重量只為2.2克，這一微型顯微鏡獲取了小鼠在自由行為過程中大腦神經元和神經突觸活動清晰、穩定的圖像，該顯微鏡適于佩戴在小動物頭部，可實時記錄數十個神經元、上千個神經突觸的動態信號，在大型動物上，還可望實現多探頭佩戴、多顱窗不同腦區的長時程觀測。雙光子顯微成像的在生物醫學研究和醫療領域應用有較大的應用前景，首先雙光子顯微鏡能夠進行細胞和組織結構成像，在亞微米級成像，此功能與目前市場上的共聚焦類顯微鏡性能類似；雙光子顯微成像能夠實時、在體、原位、無創地，根據不同物質組份的光譜特性，區分成像；雙光子顯微鏡能夠進行生化指標成像，在無造影劑的前提下，利用自發熒光、二次諧波、熒光獲得活細胞生化信息。

為了驗證動物生物樣品的時間分辨成像能力，本實驗觀察了活海拉細胞高爾基體中的青色熒光蛋白mTFP1，見圖3(a),(c)-(i)。使用的物鏡及尺寸與熒光顆粒成像一致，對比可見v2PE在空間分辨率、激發深度級圖像對比度較常規寬場顯微鏡都有所提高。此外，v2PE可以同時激發多個波長的熒光蛋白，這種技術還可以應用于細胞內分子的三維動力學多色成像。在此基礎上，實驗對海拉細胞中的高爾基體(mTFP1)和纖顫蛋白(EGFP)進行了在體成像，見圖3(j)-(n)，青色為mTFP1,綠色為EGFP，實驗中兩種熒光蛋白同時成像，終采用光譜分離法將不同蛋白的熒光信號分離出來。雙光子顯微鏡使用長波長脈沖光，是通過物鏡匯聚的。

使用雙光子顯微鏡可以以亞細胞分辨率對鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器成像，從而測量不透明大腦深處的活動；成像膜電壓變化能直接反映神經元活動，但神經元活動的速度對于常規的2PM來說太快。目前電壓成像主要通過寬場顯微鏡實現，但它的空間分辨率較差并且只是于淺層深度。因此要在不透明的大腦中以高空間分辨率對膜電壓變化進行成像，需要較提高2PM的成像速率。FACED模塊輸出處的子脈沖序列可以看作從虛擬光源陣列發出的光，這些子脈沖在中繼到顯微鏡物鏡后形成了一個空間上分離且時間延遲的焦點陣列。然后將該模塊并入具有高速數據采集系統的標準雙光子熒光顯微鏡中，如圖2所示。光源是具有1MHz重復頻率的920nm的激光器，通過FACED模塊可產生80個脈沖焦點，其脈沖時間間隔為2ns。這些焦點是虛擬源的圖像，虛擬源越遠，物鏡處的光束尺寸越大，焦點越小。光束沿y軸比x軸能更好地充滿物鏡，從而導致x軸的橫向分辨率為0.82μm，y軸的橫向分辨率為0.35μm。成像平臺倒置雙光子顯微鏡啟用顯微鏡自帶調焦設備。進口激光熒光雙光子顯微鏡光毒性

雙光子顯微鏡的性能得到不斷地優化，結合它的特點，大致可以分成深和活兩個方面的提升。進口激光熒光雙光子顯微鏡光毒性

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。進口激光熒光雙光子顯微鏡光毒性