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。显微镜简史：从光到多光子显微镜。离体多光子显微镜方案
现代分子生物学技术的迅速发展和科技的进步，特别是随着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，为在体研究基因表达规律、分子间的相互作用、细胞的增殖、细胞信号转导、诱导分化、细胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物学条件。然而，尽管人们利用现有的分子生物学方法，已经对基因表达和蛋白质之间的相互作用进行了深入、细致的研究，但仍然不能实现对蛋白质和基因活动的实时、动态监测。在细胞的生理过程中，基因、尤其是蛋白质的表达、修饰和相万作用往往发生可逆的、动态的变化。目前的分子生物学方法还不能捕获到蛋白质和基因的这些变化，但获取这些信息对与研究基因的表达和蛋白质之间的相互作用又至关重要。因此，发展能用于、动态、实时、连续监测蛋白质和基因活动的方法是非常必要的。模块化多光子显微镜代理商多光子显微镜在临床前评价IA形态、细胞外基质、细胞密度和血管形成等方面显示出强大的作用。
细胞在受到外界刺激时，随着刺激时间的增长，即使刺激继续存在，Ca2+荧光信号不但不会继续增强，反而会减弱，直至恢复到未加刺激物时的水平。对于细胞受精过程中Ca2+荧光信号的变化情况，研究发现，配了在粘着过程中，Ca2+荧光信号未发生任何变化，而配子之间发生融合作用时，Ca2+荧光信号强度却会出现一个不稳定的峰值，并可持续几分钟。这些现象，对研究受精发育的早期信号及Ca2+在卵细胞和受精卵的发育过程中的作用具有重要的意义。在其它一些生理过程如细胞分裂、胞吐作用等，Ca2+荧光信号强度也会发生很的变化。
比较两表格中的相关参数可以看出，基于分子光学标记的成像技术已经在生物活检和基因表达规律方面展示了较大的优势。例如，正电子发射断层成像（PET）可实现对分子代谢的成像，空间分辨率∶1-2mm，时间分辨率;分钟量级。与PET比较，光学成像的应用场合更广（可测量更多的参数，请参见表1-1），且具有更高的时间分辨率（秒级），空间分辨率可达到微米。因此，二者相比，虽然光学成像在测量深度方面不及PET，但在测量参数种类与时空分辨率方面有一定优势。对于小动物（如小白鼠）研究来说，光学成像技术可以实现小动物整体成像和在体基因表达成像。例如，初步研究表明，荧光介导层析成像可达到近10cm的测量深度;基于多光子激发的显微成像技术可望实现小鼠体内基因表达的实时在体成像。显微镜产品正拉动市场需求，多光子显微镜市场发展潜力巨大。
双光子荧光显微成像主要有以下优点:a.光损伤小:双光子荧光显微以可见光或近红外光为激发光，对细胞和组织的光损伤小，适合长期研究；b.穿透力强:与紫外光、可见光或近红外光相比，穿透力强，可用于生物样品的深入研究；c.高分辨率:由于双光子吸收截面很小P，荧光只能在焦平面很小的区域激发，双光子吸收被限制在焦点λ左右的体积内；d.漂白区域很小，焦点外不发生漂白。E.高荧光收集率与共焦成像相比，双光子成像不需要滤光片，提高了荧光收集率。采集效率的提高直接导致图像对比度的提高。F.对探测光路要求低。由于激发光和发射荧光的波长差越来越大，加上自发三维滤波效应，多光子显微镜对光路采集系统的要求远低于单光子共焦显微镜，光学系统也相对简单。G.适用于多标签复合测量许多染料荧光探针的多光子激发光谱比单光子激发光谱更宽，从而可以用单一波长的激发光同时激发多种染料，获得同一生命现象的不同信息，便于相互比较和补充。多光子显微镜作为一种研究微观结构和功能的技术，在众多领域得到了普遍的应用。美国激光扫描多光子显微镜层析成像
多光子显微镜在基础科学和临床诊断领域的应用范围正在持续增长。离体多光子显微镜方案
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