单光子激发荧光的过程，就是荧光分子吸收一个光子，从基态跃迁到激发态，跃迁以后，能量较大的激发态分子，通过内转换把部分能量转移给周围的分子，自己回到比较低电子激发态的比较低振动能级。处于比较低电子激发态的比较低振动能级的分子的平均寿命大约在10s左右。这时它不是通过内转换的方式来消耗能量，回到基态，而是通过发射出相应的光量子来释放能量，回到基态的各个不同的振动能级时，就发射荧光。因为在发射荧光以前已经有一部分能量被消耗，所以发射的荧光的能量要比吸收的能量小，也就是荧光的特征波长要比吸收的特征波长来的长。双光子显微镜可以在保持细胞活性的情况下进行成像，这对于研究细胞生理学和生物化学过程非常有用。多光子显微镜Ultima Investigator
多光子显微镜成像深度深、对比度高，在生物成像中具有重要意义，但通常需要较高的功率。结合时间传播的超短脉冲可以实现超快的扫描速度和较深的成像深度，但近红外波段的光本身会导致分辨率较低。基于多光子上转换材料和时间编码结构光显微镜的高速超分辨成像系统(MUTE-SIM)是由清华大学教授和北京大学彭研究员合作开发的。可实现50MHz的超高扫描速度，突破衍射极限，实现超分辨率成像。与普通荧光显微镜相比，该显微镜经过改进，只需要较低的激发功率。这种超快、低功耗、多光子超分辨率技术在高分辨率生物深层组织成像中具有长远的应用前景。布鲁克多光子显微镜飞秒激光实现细胞层面观察，多光子显微镜技术助力医学突破。
随着现代分子生物学技术的快速发展和科学技术的进步，特别是后基因组时代的到来，人们已经能够根据需要建立各种细胞模型，这为在体内研究基因表达、分子间相互作用、细胞增殖、细胞信号转导、诱导分化、细胞凋亡和新生血管生成提供了良好的生物学条件。然而，尽管利用现有的分子生物学方法对基因表达与蛋白质的相互作用进行了深入细致的研究，但仍然无法实现对蛋白质和基因活性的实时动态监测。在细胞的生理过程中，基因尤其是蛋白质的表达、修饰和相互作用往往是可逆的、动态变化的。目前，分子生物学方法无法捕捉到蛋白质和基因的这些变化，但获得这些信息对于研究基因表达与蛋白质的相互作用非常重要。因此，有必要发展一种动态、实时、连续监测蛋白质和基因活性的方法。
多束扫描技术可以同时对神经元组织的不同位置进行成像。该技术:对于两个远程成像位置(相距1-2mm以上)，通常采用两个**的路径进行成像；对于相邻区域，通常使用单个物镜的多个光束进行成像。多光束扫描技术必须特别注意激发光束之间的串扰，这可以通过事后光源分离或时空复用来解决。事后光源分离法是指分离光束以消除串扰的算法；时空复用法是指同时使用多个激发光束，每个光束的脉冲在时间上被延迟，使不同光束激发的单个荧光信号可以暂时分离。引入的光束越多，可以成像的神经元越多，但多束会导致荧光衰减时间重叠增加，从而限制了分辨信号源的能力；并且复用对电子设备的工作速度要求很高；大量的光束也需要较高的激光功率来维持单束的信噪比，这样容易导致组织损伤。多光子显微镜，为材料科学研究和工业应用提供全新视角。
Sternand Jean Marx在评论中说：祖家能够在更为精细的层次研究树突的功能，这在以前是完全不可能的。新的技术（如脑片的膜片钳和双光子显微使人们对树突的计算和神经信号处理中的作用有了更好的理解。他们解释了是树突模式和形状多样性，及其独特的电、及其独特的电化学特征使神经元完成了一系列的专门任务。双光子与共聚焦在发育生物学中的应用双光子∶每2.5分钟扫描一次，观察24小时，发育到桑椹胚和胚泡阶段共聚焦∶每15分钟扫描一次，观察8小时后细胞分裂停止，不能发育到桑椹胚和胚泡阶段共聚焦激发时的细胞存活率为多光子系统的10～20%。双光子荧光显微镜是结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术。美国共聚焦多光子显微镜方案
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对于双光子(2P)成像，散焦和近表面荧光激发是两个相对较大的深度限制因素，而对于三光子(3P)成像，这两个问题**减少。 然而，由于荧光团的吸收截面远小于2P，三光子成像需要更高的脉冲能量才能获得与2P相同激发强度的荧光信号。 功能性3P显微镜比结构性3P显微镜要求更高，后者需要更快的扫描速度以便及时采样神经元活动。 为了在每个像素的停留时间内收集足够的信号，需要更高的脉冲能量。 复杂的行为通常涉及大规模的大脑神经网络，这些网络既有本地连接，也有远程连接。 为了将神经元的活动与行为联系起来，需要同时监测* * *分布的超大型神经元的活动。 大脑中的神经网络将在几十毫秒内处理输入的刺激。 为了理解这种快速神经元动力学，MPM需要快速成像神经元的能力。 快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。 多光子显微镜Ultima Investigator
