新一代微型化雙光子熒光顯微成像系統的成功研制是國家重大科研儀器研制專項的一個碩果。它彰顯了北京大學在生物醫學成像領域先期布局的前瞻性，鍛煉了一支以年輕PI和碩博研究生為主體、具有學科交叉背景和重要技術創新能力的“中國智造”隊伍。目前，該研發團隊正在領銜建設“多模態跨尺度生物醫學成像”十三五國家重大科技基礎設施，積極參與即將啟動的中國腦科學計劃。可以期待，微型化雙光子熒光顯微成像系統將為實現“分析腦、理解腦、模仿腦”的戰略目標發揮不可或缺的重要作用雙光子顯微鏡能夠進行指標成像；美國ultima雙光子顯微鏡授權供應商

WinfriedDenk使用的第1個光源是染料飛秒激光(脈沖寬度100fs，可見光波長630nm)。染料激光雖然實驗室演示可以接受，但是使用起來不方便，所以離商業化還很遠。很快雙光子顯微鏡的標準光源變成了飛秒鈦寶石激光器。鈦寶石激光器除了具有固態光源的優點外，還具有近紅外波長調諧范圍寬，而近紅外比可見光穿透更深，對生物樣品的損傷更小。下圖是Thorlabs的雙光子和三光子顯微鏡配置，鈦寶石飛秒可調諧激光器位于平臺左側。從雙光子到三光子科學家們正在從雙光子顯微鏡轉向三光子顯微鏡。1996年，ChrisXu在康奈爾大學(Denk的導師實驗室)讀博時發明了三光子顯微鏡。如果雙光子吸收是可行的，那么三光子似乎是自然的發展方向。三光子成像使用更長的波長，大約1.3和1.7微米，成像深度比雙光子更深。目前錄音大約2.2毫米，人的大腦皮層厚度大約4毫米。與雙光子顯微鏡相比，三光子需要使用更強、更短、重復率更低的激光脈沖，這是傳統的鈦寶石激光器很難滿足的，但對于摻鐿光纖飛秒光參量放大器，比如我們的Y-Fi光參量放大器(OPA)就非常容易。國外2PPLUS雙光子顯微鏡原理顯微成像技術包含：雙光子顯微鏡、寬場熒光顯微鏡、共聚焦顯微鏡、全內反射熒光顯微鏡等多種成像方式。

隨著技術的發展，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。深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。

通過對顯微光學系統的重新設計，將FHIRM-TPM2.0的成像視場擴展至420×420平方微米，顯微物鏡的工作距離擴展至1mm，實現無創成像。嵌入可拆卸的快速軸向掃描模塊，實現深度180微米的三維體成像和多平面快速切換的實時成像。該模塊由一個快速電動變焦鏡頭和一對中繼鏡頭組成，在不同深度成像時保持放大率恒定。其中，變焦模塊重1.8克，科研人員可以根據實驗要求自由拆卸。此外，新型微型成像探頭可以瞬間插拔，極大簡化了實驗操作，避免了長時間實驗對動物的干擾。反復裝卸探針追蹤同批神經元時，視場旋轉角度小于0.07弧度，邊界偏差小于35微米。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。

通過并行化不同激光波長的激光掃描，研究人員增加了在相同時間內可以成像的體積，同時保持了高的時間和空間分辨率。研究人員通過引入兩種不同波長的鈣信號熒光探針，將神經元群體的活動標記為兩種不同的顏色，同時激發兩種不同波長的探針，從而實現了兩種顏色的并行數據記錄。為了實現三維空間成像，研究人員還在兩個激光束上配置了快速變焦系統，即一個電透鏡和一個空間光調制器。因此，可以以10Hz的速度同時記錄10個500微米和500微米的平面，覆蓋600微米的深度，覆蓋大腦皮層第二層到第五層的結構，體積內可以記錄2000多個神經元。雙光子顯微鏡還可以對一些具有特性的染料細胞進行實驗，還有一些短波長可以利用雙光子特性進行特定實驗。國外2PPLUS雙光子顯微鏡原理

由于其非侵入性和高分辨率的特點，雙光子顯微鏡成為了研究神經科學、ai癥研究、免疫學等領域的重要工具。美國ultima雙光子顯微鏡授權供應商

配合雙光子激發技術，激光共聚掃描顯微鏡則能更好得發揮功效。那么，什么是雙光子激發技術呢？在高光子密度的情況下，熒光分子可以同時吸收2個長波長的光子使電子躍遷到較高能級，經過一個很短的時間后，電子再躍遷回低能級同時放出一個波長為長波長一半的光子（P=h/λ）。利用這個原理，便誕生了雙光子激發技術。雙光子顯微鏡使用長波長脈沖激光，通過物鏡匯聚，由于雙光子激發需要很高的光子密度，而物鏡焦點處的光子密度是比較高的，所以只有在焦點處才能發生雙光子激發，產生熒光，該點產生的熒光再次穿過物鏡，被光探頭接收，從而達到逐點掃描的效果。美國ultima雙光子顯微鏡授權供應商