多光子显微镜成像技术之三十 基于形状记忆合金实现深度扫描的小型化多光子显微镜

光波常
关注

在小型化的多光子显微镜(MPM)中,可以通过基于压电的扫描仪进行螺旋扫描、李萨如扫描或光栅扫描,或者使用微型MEMS镜进行X-Y平面扫描。为了实现小型化MPM的三维成像能力,需要深度扫描。传统上,深度扫描是通过将显微镜安装在平移台上或使用回拉机械装置实现。但是这些方法会增加仪器的尺寸并且精度低,不适合在体内应用。此外,许多研究需要将设备安装在小型哺乳动物(如小鼠)的头部进行脑成像,会有尺寸和重量限制,所以需要MPM在保持尺寸小的同时还能进行准确的深度扫描。

本期文献的工作展示了基于形状记忆合金(SMA)来实现小型化显微镜的深度扫描[1]。SMA包括镍钛基、铜基等50多种合金。所谓形状记忆效应,是指材料能够“记住”原来的形状,并在一定条件(一般为温度)下恢复初始形状的特性。SMA结构紧凑、重量轻、易于使用。当电流通过SMA时,焦耳加热可以使SMA收缩,产生足够的拉力移动显微镜内的光学器件来改变光束焦点,进而实现显微镜的深度扫描。SMA深度扫描仪不仅尺寸小,能提供相对长的扫描范围和高响应速度。

图1展示了该多模态显微成像系统[1]。作者使用掺铒光纤激光器作为光源,该激光器的中心波长为1580 nm,脉宽为~80 fs,重复频率为~47MHz,平均输出功率为~230 mW。进一步将1580nm脉冲通过PPLN晶体倍频到790nm,效率约为35%。790nm的脉冲用于激发双光子激发荧光(TPEF)和二倍频(SHG)信号,而1580nm的脉冲用于激发三倍频(THG)信号。L1和L2分别用于将激光束聚焦到PPLN中并准直从PPLN发出的光束。两个消色差透镜L3和L4分别用作显微镜的扫描透镜和管透镜,MEMS镜实现XY扫描。SMA深度扫描仪驱动定制设计的物镜进行深度扫描,物镜由非球面透镜和平凸透镜组成。来自样品的发射信号通过物镜被多模光纤收集,进一步传送到PMT中进行成像。

图1 多模态多光子显微成像系统的装置[1]

图2展示了SMA驱动物镜的设计。物镜的非球面透镜连接到SMA制动器,该制动器能使透镜平移370µm。平凸透镜保持静止,确保组织的稳定。在平凸透镜和组织表面间加入水,以减少样品引起的像差。非球面透镜安装在3D打印的透镜支架中,该支架连接到SMA制动器的环形驱动部件。SMA制动器安装在3D打印的物镜底盘中,该底盘还将固定平凸透镜,环氧树脂用来粘结安装的部件。

图2 SMA驱动物镜的设计。AC—制动器;AD—制动器驱动组件;LH—透镜支架;AL—非球面透镜;CL—平凸透镜;OC—物镜底盘;EP—环氧树脂[1]

最后,从动物、真菌和植物组织中获得了不同深度下TPEF、SHG和THG的多模态图像。动物软组织的成像深度超过250µm,动物骨骼、真菌和植物组织的成像深度超过150µm。由于多模态和深度扫描的能力,可以无标记地获得样品全面的信息。

在本研究中,开发了一种基于光纤激光的具有深度扫描能力的小型化多模态MPM系统。自制的掺铒飞秒光纤激光器进一步通过PPLN倍频分别为多模态成像提供了1580nm和790nm的激发波长,SMA驱动物镜来实现深度扫描,这种设计在生物医学成像方面颇具潜力并有望应用于临床。

参考文献:

[1] Wentao Wu, Qihao Liu, Christoph Brandt, and Shuo Tang, "Dual-wavelength multimodal multiphoton microscope with SMA-based depth scanning," Biomed. Opt. Express 13, 2754-2771 (2022)

       原文标题 : 多光子显微镜成像技术之三十 基于形状记忆合金实现深度扫描的小型化多光子显微镜

声明: 本文由入驻OFweek维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。
侵权投诉

下载OFweek,一手掌握高科技全行业资讯

还不是OFweek会员,马上注册
打开app,查看更多精彩资讯 >
  • 长按识别二维码
  • 进入OFweek阅读全文
长按图片进行保存