Det teoretiske grunnlaget for «to-foton absorbsjon» ble først beskrevet i doktoravhandlingen til den amerikanske fysikeren Maria Goeppert Mayer (1906-1972) som fikk nobelprisen i fysikk i 1963, delt med Hans D Jensen og Eugene Wigner for «deres oppdagelser vedrørende kjerneskallstrukturen». Marie Goeppert Mayer var den andre kvinnen, etter Marie Curie, som fikk en nobelpris i fysikk. Mayers kjerneskallmodell, en analog til atomskallmodellen med organisering av elektroner, beskriver atomkjernen i form av energinivåer og bindingsenergi, og forklarer hvorfor noen nukleonkombinasjoner er mer stabile enn andre, såkalte «magiske» antall nukleoner (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126).
Seinere, i 1961, ble to-foton absorbsjon vist eksperimentelt av den tyske fysikeren Wolfgang Kaiser med en europium-dopet krystall (CaF2:Eu2+).
Prinsippet bak to-fotonabsorbsjon er at to fotoner med lav energi til sammen kan ekistere en fluorofor. Hver av de to fotonene har energi omtrent lik halvparten av energien som trengs for å eksitere fluoroformolekylet. Når en fluorofor samtidig absorberer to lavenergifotoner så bidrar hver av dem med halvparten av den energien som er nødvendig for å eksitere molekylet (Förster energiresonansoverføring). Eksitasjonen gir emisjon av fluorescens med samme kvanteutbytte som om man bare hadde brukt ett foton til eksitasjonen. Det emniterte fotonet har imidlertid kortere bølgelengde og mer energi enn de to fotonene som ble brukt til eksitasjon. Sannsynligheten for at to fotoner i nært infrarødt skal bli absorbert omtrent samtidig er ekstremt liten. Sannsynligheten har en romlig faktor og tidsfaktor for tilgangen på fotoner og skjer derfor bare på et lite område i et smalt fokusplan og punkt i prøven. Sannsynligheten for en to-fotonabsorbsjon øker med intensiteten og en titan-safirlaser kan operere ved 80 MHz som gir høy fotontetthet på et lite punkt. Som fluorofor kan man bruke vanlige fluorescerende proteiner og squarainfarger basert på squarinsyre (eng. square – kvadrat) eller kvadratsyre med fire karbonatomer i en firkant.
Bruk av ultrarask laserteknologi, multifoton mirkosopi og to-fotonabsorbsjon har biologer fått et nytt verktøy i studiet av prosesser i alle typer cellevev, blant annet nerveceller i hjernen.
Moser og medarbeidere (2022) har bl.a. brukt en miniatyrutgave av to-foton lasermikroskopi for å følge kalsiumkonsentrasjonene i tusenvis av nerveceller som samarbeider i hjernen hos levende mus som kan bevege seg.
Litteratur
Zong W, Obenhaus HA, Skytøen ER, Eneqvist H, de Jong NL, Vale R, Jorge MR, Moser MB, Moser EI. Large-scale two-photon calcium imaging in freely moving mice. Cell.;185(7) (2022)1240-1256.e30, doi: 10.1016/j.cell.2022.02.017
Wikipedia