在生物成像领域，双光子激发荧光由于其高度的局限性激发、图像的固有三维性和对活体生物的光损伤减少，而越来越受欢迎。然而，使用双光子激发的一个缺点是荧光团的极低双光子吸收截面。因此，开发具有改善的双光子荧光(TPF)性能的高效荧光探针的需求已引发了近年来广泛的研究。许多工作集中在合成具有大双光子吸收截面的荧光探针上。同时，纳米复合结构由于其高天线效率和场增强效应，为明亮的双光子荧光探针设计提供了一种有前景的纳米复合配置。
等离基元金纳米球壳结构作为双光子荧光探针的研究，由张天悦、吕国伟等人提出，利用单个金纳米球壳结构作为有效的双光子荧光探针。该研究系统地使用有限差分时域方法研究了具有多个局域表面等离激元的金纳米球壳颗粒，并提供了全面的理解，即对于位于球壳内部或外部的单个发光体，增强的双光子荧光行为有显著的不同。如果荧光体被放置在球壳外部，通过优化发射偶极的位置和方向，可以实现大的荧光强度。相比之下，对于放置在球壳内部的发光体，可以在对位置和偶极方向无严格要求的情况下经历显著的双光子荧光增强。由于其高天线效率和场增强效应，封装荧光发光体的金属纳米壳体提供了明亮双光子荧光探针设计的有前途的纳米复合结构配置。
文章中提到的关键技术概念包括光子学(photonics)、双光子荧光(two-photon fluorescence)、金纳米粒子(gold nanoparticle)和局域表面等离激元(localized surface plasmon)。光子学是研究光的产生、发射、传播、检测和控制的科学。双光子荧光是一种利用两个光子同时激发荧光团产生荧光的过程。金纳米粒子由于其优良的光学特性，在生物成像和医学研究中得到了广泛的应用。局域表面等离激元是当光波与金属纳米结构相互作用时，表面的自由电子与光波产生共振的现象，该现象具有高度局部化的电磁场增强效应，可用于增强纳米粒子周围的电磁场，进而增强荧光信号。
根据论文内容，金纳米壳的结构可以增强荧光体发出的荧光，这种现象被称为等离激元增强。这是因为金属纳米结构如金纳米壳能够在光的作用下激发出局域表面等离激元，该等离激元在金属表面产生局域化的表面电磁场增强，从而增强周围的光学响应。在双光子荧光探针的应用中，这种增强效应可以通过优化荧光体相对于金纳米壳的位置和方向得到进一步的提高。这种特性使得金纳米壳可以作为增强生物成像中荧光信号的有前景的探针材料。
此外，论文还提及了有限差分时域方法（Finite-Difference Time-Domain Method, FDTD），这是一种数值模拟技术，广泛应用于计算材料、电子、光子学和电磁学等领域的电磁场分布问题。在该论文中，FDTD被用于研究金纳米壳和荧光体之间相互作用时产生的局域表面等离激元对双光子荧光的影响。
该论文为我们提供了金纳米壳在双光子荧光探针设计中的重要角色和应用前景，同时也展示了纳米技术、光子学和数值模拟方法在生物医学成像中的交叉应用潜力。通过这些技术的综合运用，未来的生物成像技术将可能实现更高的灵敏度和更深的组织穿透能力，为疾病诊断和治疗提供更强大的工具。
