
【化】 MPE; multiphoton excitation
excessive; many; more; much; multi-
【计】 multi
【医】 multi-; pleio-; pleo-; pluri-; poly-
photon; photons
【计】 light quantum
【化】 light quantum; photon
【医】 photon
arouse; excitate; explode; inspire; set off; stimulate; wake; waken
【化】 excitation
【医】 provocation
【经】 motivate
多光子激发(Multi-photon excitation)是指物质同时吸收两个或多个低能量光子,通过非线性光学效应跃迁至高能态的过程。该现象通常需要超快激光脉冲的高峰值功率支持,例如双光子激发(Two-photon excitation)是其中最常见的形式。与单光子激发相比,多光子激发具有更强的空间分辨率,可减少光损伤,因此在生物显微成像领域被广泛应用。
从量子力学角度可表示为: $$ Delta E = n cdot h u $$ 其中n为吸收的光子数量,h为普朗克常数,ν为光频率。该公式表明电子能级跃迁所需能量由多个光子共同提供。
在生物医学工程中,多光子显微镜已实现活体组织深层成像,相关技术标准由国际光学工程学会(SPIE)制定。美国国立卫生研究院(NIH)的临床试验数据库显示,该技术正在肿瘤边界检测中开展应用研究。
多光子激发是物质在强光作用下同时吸收多个光子(如两个或多个)实现能量跃迁的非线性光学过程。其核心特点是通过长波长低能量光子的协同作用,激发产生短波长荧光,主要应用于生物成像和材料研究领域。以下是详细解释:
能量叠加机制
单光子激发需要高能量短波长光直接匹配荧光团吸收峰,而多光子激发利用长波长激光(如近红外光),通过两个或多个低能量光子同时到达并叠加能量,实现等效于短波长光的激发效果。例如,双光子激发需激光波长约为荧光吸收峰的两倍。
非线性光学特性
多光子激发属于非线性光学过程,其发生概率与光强度的平方或更高次方成正比,因此需要高强度脉冲激光聚焦于微小区域才能触发。
深层组织穿透
长波长光散射和吸收较少,可穿透更厚的生物组织(如脑片、胚胎),适用于活体成像。
低光毒性
仅在焦点区域激发,减少非焦平面光损伤,显著降低对活细胞的光毒性。
高空间分辨率
激发范围局限于激光焦点,提供三维空间分辨能力,并减少光漂白效应。
生物医学成像
用于厚组织或活体样本的高分辨率荧光成像,如神经科学中的脑部动态观测。
材料研究
在金属-有机框架(MOF)中,多光子激发可与压致荧光变色效应耦合,实现外界压力调控的荧光发射。
扩展说明:多光子激发技术自20世纪90年代发展以来,已成为生命科学和材料科学的重要工具。其核心突破在于通过非线性光学效应突破传统成像的物理限制,未来可能在疾病机制研究和智能材料开发中发挥更大作用。
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