Laserskanningsmikroskop kan miniatyriseras för att avbilda mikromiljöer in vivo via inkludering i optiska mikromekaniska system (MEMS) enheter för att ersätta de befintliga större komponenterna. Multifunktionella aktiva optiska enheter är framväxande komponenter som stöder miniatyrisering för diffraktionsbegränsad prestanda med enklare optiska systemdesigner i optiska enheter. I en nyligen genomförd studie, Tianbo Liu och ett team av forskare vid avdelningarna för elektro- och datorteknik och dermatologi i USA föreslog en katadioptrisk (som tillåter både ljusreflektion och refraktion) mikroskopobjektiv, med en integrerad MEMS-enhet för att utföra biaxiell skanning, axiell fokusjustering och kontrollera sfärisk aberration.

Materialforskarna inkluderade en reflekterande MEMS-skanner i MEMS-in-the-lins-arkitekturen för att stödja avbildning med hög numerisk apertur (NA) som samlar ljus över ett bredare spektrum av vinklar för att generera bilder. Liu et al. implementerade MEMS-in-the-lins-arkitekturen genom att inkludera skanningsspegeln i objektivlinsen, där strålaxeln var vinkelrät mot spegelytan utan behov av en stråldelare för att separera den infallande och reflekterade strålen. De demonstrerade den optiska prestandan hos det katadioptriska systemet (ett optiskt system som tillåter både ljusbrytning och reflektion med minimal aberration) genom att avbilda hårda och mjuka mål med ett konfokalmikroskop baserat på den nya objektivlinsdesignen. Den förbättrade avbildningstekniken kommer att möjliggöra avancerad diagnos av medicinska tillstånd. Resultaten av studien publiceras nu på Ljus:Vetenskap och tillämpningar .

Oförberedda och okröjda organ i levande djur kan avbildas in vivo med skanning laser konfokal och multifoton mikroskopi tekniker. Tekniska framsteg har underlättat bänkavbildning av små djurmodeller som möss, med lämpliga medicinska tillämpningar dyker det också upp på dermatologiska kliniker för att noninvasivt undersöka optiska hudbiopsier. Dock, konventionella laserskanningsmikroskop är stora och begränsar både medicinska och levande djuravbildningsprocedurer. För att komma åt människokroppen och avbilda ambulerande djur, forskarna måste därför miniatyrisera dessa instrument.

Miniatyriserade avsökningsmekanismer med mindre instrument såsom mikromekaniska systemanordningar kan ersätta befintliga skrymmande mekanismer som krävs för att skanna och fokusera strålen för hittills osannolika tillämpningar. Till exempel, forskare kunde montera ett MEMS-skannat miniatyriserat tvåfotonmikroskop som bara vägde 2,15 g på huvudet av en fritt rörlig mus för hjärnavbildning. Enheterna har också underlättat laserskanningsmikroskopi att anpassas i endoskopiska plattformar och under MEMS-baserade optiska biopsiexperiment för att upptäcka cancer in vivo. Vid sidan av dess mindre fotavtryck, en MEMS-skanner bidrar till miniatyrisering genom att kombinera flera frihetsgrader under sin produktion tillsammans med sin optiska arkitektur.

I detta arbete, Liu et al. utforskade en ny optisk arkitektur för en miniatyr, lasermikroskop med hög NA-scanning med en 3-D MEMS-skanner i objektivlinsen. De illustrerade den optiska layouten av MEMS-in-the-linsen för att tillverka enheten och använda den in vivo. Forskarna konstruerade MEMS 3-D skanningsspegeln genom att framgångsrikt reproducera en metod som tidigare introducerats av samma grupp. För in vivo mikroskopi, de opererade hyperhemisfären (som erbjuder ett bredare synfält) i kontakt med vävnad som innehöll ett variabelt brytningsindex från 1,3 till 1,4. Baserat på parametrarna, forskarna simulerade uppställningens bildprestanda. De drog slutsatsen att hyperhemisfär av BK-7-glas var effektivt som ett frontlinselement för ett vävnadsmikroskop med en aktiv 3-D MEMS-skanner utplacerad vid den simulerade bländaren.

För att demonstrera konfokal avbildning, forskarna använde en bänkmodell av objektivlinsen med en integrerad 3D MEMS-spegel. Liu et al. fäste spegeln på provbordet med ett tunt lager vattenbaserad ultraljudsgel. Som ett exempel, de införde prover av mänskliga kindceller (~ 80 µm) på provstadiet, och fångade deras bilder med hjälp av mikroskopet därefter. Under bildtagning, forskarna använde en 633 nm heliumneonlaser för belysning. De fäste sedan provet av intresse på glasskivan mittemot hyperhemisfärlinsen. Liu et al. inkluderade en 50/50 stråldelare mellan den optiska fibern och det sammansatta linselementet för att separera det reflekterade ljuset, och ett 10 µm nålhål för att rymdfiltrera det reflekterade ljuset.

MEMS-konfokalmikroskopet tillät också avbildning under provets yta och Liu et al. visade detta genom att avbilda ett urval av intresse. För provet, de suspenderade 6 µm mikropärlor av polystyren i en ultraljudstransmissionsgel och följde sedan upp bildbehandlingsprocessen med volymetrisk rekonstruktion av bilderna för att bättre illustrera konfokal snittning vid olika fokalplan. Även om bilderna var väl upplösta, forskarna observerade att 3D-profilerna för pärlorna varken var enhetliga eller symmetriska, vilket kräver ytterligare optimering av tekniken.

Den utvecklade 3D MEMS-spegeln gav komplett scannings- och fokuskontroll för instrumentet, tillsammans med elektronisk styrning av den sfäriska aberrationen. Det nya verket visade förbättrad upplösning jämfört med tidigare beskrivna 3-D MEMS-speglar, för att tillåta dess inkludering i ett kompakt MEMS-i-lins-system.

På det här sättet, Tianbo Liu och medarbetare föreslog och utvecklade en katadioptrisk MEMS-i-linsen-mikroskopobjektivlins och integrerade en MEMS 3-D-skanner för att utföra biaxiell skanning med kontrollerad sfärisk aberration under avbildningstillämpningar. Liu et al. simulerade utvecklingen av den föreslagna instrumentarkitekturen för att indikera betydande löfte för framtiden, miniatyriserade och hög-NA laserskanningsmikroskop för in vivo-avbildningstillämpningar.

© 2019 Science X Network