细胞荧光成像技术已成为生物医学领域的重要研究手段，在离子分子识别、医学诊断、生物分子检测以及生物成像等领域显示出了重要的应用价值，这在很大程度上是依赖于荧光标记技术、电子技术、数据处理和光学技术的进步。荧光成像技术具有无损伤、高特异性和高灵敏度，以及能在细胞水平获得更高的分辨率等优势，可对多种目标生物分子进行原位实时的监测，已在分子、细胞及组织等不同层次的成像中广泛应用，如标记特殊离子、检测生物大分子、示踪活细胞的生物学行为、体内特殊器官或肿瘤的成像等。

其原理主要为利用在紫外—可见—近红外区有特征荧光的荧光分子（如罗丹明、异硫氰酸荧光素、荧光蛋白等），修饰固定于不同纳米材料或生物分子的表界面，并通过对其进行生物功能化修饰，连接不同的生物分子（如脱氧核糖核酸、蛋白质或多肽等），制备出具有一定功能的相应荧光探针分子，实现不同的生物功能。进而利用各类细胞的吞噬作用、探针连接的靶标分子的靶向作用或荧光探针的主动扩散作用进入细胞，甚至到达特定细胞器。荧光探针吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并产生斯托克斯位移，发射出不同于入射光波长的出射光（通常波长在可见光或近红外波段），可以实现细胞及细胞内特定位置精确成像。

已有的各种细胞荧光成像手段包括超分辨荧光显微技术、转盘式共聚焦显微技术、全内反射荧光显微技术、双光子荧光成像技术和荧光共振能量转移技术等。前三种都是基于荧光基团或分子的下转换能力，即吸收高能量激发光，发射出波长较长的低能量荧光。双光子荧光成像技术通常采用飞秒脉冲激光器，其激发光源强度高，瞬时功率可以达到兆瓦量级，光子密度满足荧光分子同时吸收两个光子或多个光子，达到荧光基团的激发要求。因此，双光子荧光的波长比激发光的波长短，也称为上转换荧光。荧光共振能量转移是指在两个不同的荧光基团中，如果一个荧光基团（供体donor）的发射光谱与另一个荧光基团（受体acceptor）的吸收光谱有一定的重叠，当这两个荧光基团间的距离合适时（一般小于100埃），就可观察到荧光能量由供体向受体转移的现象，即当前一种基团的激发波长激发时，可观察到后一个基团发射的荧光。通过调控两个荧光基团之间的距离设计出激活型荧光探针，用于生物分子检测或示踪，可有效提高荧光细胞成像的清晰度与信噪比。

细胞荧光成像技术能够记录细胞或组织发生的动态过程。从细胞分裂到细胞在培养物和有机切片中的迁移，到细胞器的运动和转换，到钙成像，大量的过程可以被实时可视化和记录。利用荧光标记特定的细胞器，其光谱行为的变化与细胞和细胞器内的化学变化相对应，为研究细胞过程提供了前所未有的洞察力。