I try to explain why two-photon microscopy has a deeper imaging depth than one-photon microscopy, in the area of biomedical imaging. Many of the biomedical imaging modalities, no matter one-photon (confocal) or multi-photon (two-photon), use lasers as light source and require compatible fluorescent dyes.
Fluorescent dyes have their own excitation wavelength, and they can either be excited by a single photon with the photon energy of that excitation wavelength (E=hv=h*c/λ); or by two photons, arriving almost at the same time, but each with approximately half of the energy, hence of double wavelength than one-photon (0.5E->2λ). The former is the principle of one-photon microscopy and the latter is the principle of two-photon microscopy.
When imaging the same fluorescent dye, since two-photon could use approximately doubled wavelength compared with single-photon, two-photon can obviously penetrated deeper into the tissue due to less scattering (longer wavelength, less scattering). 双光子显微镜成像技术及不同转基因小鼠开展对多种脏器的成像研究。国内荧光双光子显微镜的原理
双光子显微镜为什么穿透能力强？生物组织在近红外波段存在两个窗口,第1个近红外窗口对应波长在700nm-900nm,第2个近红外窗口对应波长在1000nm-1400nm之间。举例说明就是单晶硅对于可见光几乎是不透明的，但是对于红外波段就像是“水晶”一样通透性很好了。原因有两点：
1.生物组织对红外光的吸收弱，对可见光吸收强。类似的，平时用手电筒照射手指，会看到手通透红亮，也是由于生物组织对长波长的红光吸收少。
2.生物组织对红外光的散射弱。因为瑞利散射的强度反比于波长λ的四次方。类似的，早晨的太阳非常红，也就是因为长波长的红光穿透力更强。
这两点共同导致长波长的红外光比可见光对生物组织的穿透能力强。 国内荧光双光子显微镜的原理显微成像技术包含：双光子显微镜、宽场荧光显微镜、共聚焦显微镜、全内反射荧光显微镜等多种成像方式。
许多生物医学成像方式，无论是单光子(共聚焦)或多光子(双光子)，都使用激光作为光源，并需要兼容的荧光染料。荧光染料有自己的激发波长，它们可以被单个光子以该激发波长的光子能量激发(E=hv=h*c/λ);或者是两个几乎同时到达的光子，但每个光子的能量约为单光子能量的一半，即双波长(0.5E->2λ)。前者是单光子显微镜原理，后者是双光子显微镜原理。在对同一种荧光染料进行成像时，双光子与单光子相比可以使用约两倍波长，因此双光子的散射较小(波长较长，散射较小)，可以更深入地渗透到组织中。
2008年钱永健等人由于荧光蛋白（GFP，绿色荧光蛋白）的发现和使用，获得了诺贝尔化学奖，是对荧光成像技术的一次巨大肯定和推动。光学成像本身具有高分辨率、高通量、非侵入和非毒性等特点，再与荧光蛋白以及荧光染料等标记物在细胞中的定位与表达技术相结合，使得科学家可以特异性的分辨生物体乃至细胞内部不同结构与成分，并且能够在生命体和细胞仍具有活性的状态下（状态）对其功能进行动态观察。这就使得荧光成像技术成为了无可替代的，生物学家现今较为重要的技术手段之一。 目前，大多数细胞生物学和生理学研究主要还是在离体培养的细胞体系中研究。然而与细胞生物学研究有所不同的是，大脑的功能研究的整体性和原位性显得更加关键：只研究分离的神经元无法解释神经系统的功能和规律。由于被观测的信号会受到样本组织的散射和吸收，根本无法穿透如此深的组织进行成像。而双光子显微镜（Two-photon Microscopy，简称TPM）的发明，则为此类研究带来了希望。双光子显微镜特有的非线性光学特性，再加上其工作波长处在红外区域等特点，令其在生物体组织内的穿透深度较大提高，使得双光子显微镜成为神经科学家进行神经成像较理想的工具。 双光子显微镜使用的是可见光或近红外光作为光源；
在深度组织中以较长时间对活细胞成像，双光子显微镜是当前之选。双光子和共聚焦显微镜都是通过激光激发样品中的荧光标记，使用探测器测量被激发的荧光。但是，共聚焦一般使用单模光纤耦合激光器，通过单光子激发荧光，而双光子使用飞秒激光器，通过几乎同时吸收两个长波光子激发荧光。下面是两种技术的对比图。双光子激发荧光的主要优势：双光子比共聚焦使用的更长的波长，所以对组织的损伤更小且穿透更深。共聚焦的成像深度一般为100微米，双光子则能达到250到500微米，甚至超过1毫米。另外，同时吸收两个光子意味只有较强度聚焦点处能被激发，所以不会损伤焦平面之外的组织，并且生成更清晰的图像。双光子显微镜不需要共聚焦，提高了荧光检测效率。国内2PPLUS双光子显微镜的成像视野
双光子显微镜能够进行光裂解、光转染和光损伤等光学操纵。国内荧光双光子显微镜的原理
【科协 | 科普 】双光子显微镜：显微镜家族的隐秘“功臣”2017年10月4日，诺贝尔化学奖颁给了Jacques Dubochet、Joachim Frank 和 Richard Henderson，获奖理由是“研发冷冻电子显微镜，用于测定溶液中生物大分子高分辨率结构”。纵观整个科学史，显微镜技术的运用与发展是科学技术进步的重要一环，其中除了上面提到的冷冻电镜，其实还有一位“大功臣”——双光子显微镜。
这位“大功臣”的原理是什么？它是如何在显微镜领域做出巨大贡献的？具体又有怎样的现实应用呢？下面就给大家介绍一下~ 国内荧光双光子显微镜的原理
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