北理工在光學(xué)三維顯微成像探頭關(guān)鍵技術(shù)方面取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2020-09-29 供稿：信息與電子學(xué)院
編輯：劉蘇儀 審核：司黎明 閱讀次數(shù)：近日，北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院謝會(huì)開(kāi)教授、機(jī)電學(xué)院講師李建華，與佛羅里達(dá)大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系博士生周亮、訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者余小敏、Philip Feng教授合作，基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，即Micro-electro-mechanicalsystem（MEMS），開(kāi)發(fā)了具有高填充率、高光學(xué)質(zhì)量、大變焦范圍的MEMS透鏡，是制作雙光子顯微影像微型光學(xué)探頭的關(guān)鍵器件，可用以以實(shí)現(xiàn)對(duì)自由活動(dòng)的小動(dòng)物進(jìn)行頭戴式實(shí)時(shí)腦成像，更好研究腦神經(jīng)元活動(dòng)與動(dòng)物行為之間的關(guān)系。相關(guān)結(jié)果以《A MEMS lens scanner based on serpentine electrothermal bimorph actuators for large axial tuning》為題，發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Optics Express (影響影子IF: 3.669)。
圖1. (A) 光學(xué)成像中的可自由活動(dòng)的小動(dòng)物，微型光纖探頭固定于其頭部。（b）微型探頭內(nèi)部的三維掃描光路。
雙光子顯微成像（TPM）具有高分辨率和大成像深度，已在活體腦成像領(lǐng)域嶄露頭角，多個(gè)研究小組采用TPM均實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠腦內(nèi)神經(jīng)元活動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)間觀察，為探索大腦提供了重要途徑。但目前因TPM探頭對(duì)于小鼠而言過(guò)于笨重，一般只能將小鼠與TPM探頭相對(duì)固定。因此為了真正能夠研究自由活動(dòng)中的小鼠，本研究提出一種圖1A所示的頭戴式光纖TPM微型探頭。因大腦神經(jīng)元立體交錯(cuò)，該TPM探頭必須能夠進(jìn)行三維掃描，如圖1B所示，其中的x/y二維掃描已可以通過(guò)MEMS掃描微鏡實(shí)現(xiàn)，但是z方向的深度掃描通常還是需要電機(jī)馬達(dá)完成，體積和重量仍然難以讓小鼠承載。雖已有人提出用MEMS變焦透鏡來(lái)減小體積和重量，但未能解決透鏡的光學(xué)質(zhì)量和所需調(diào)焦位移行程。因此，本研究提出了一種新穎的MEMS執(zhí)行器單元（圖2A），直接驅(qū)動(dòng)高光學(xué)質(zhì)量的透鏡，從而實(shí)現(xiàn)大光學(xué)口徑、大行程、低驅(qū)動(dòng)電壓的MEMS變焦透鏡(圖2C)。
圖2. (A) 電熱MEMS執(zhí)行器SEM；（B）MEMS微驅(qū)動(dòng)平臺(tái)芯片SEM；（C）MEMS微透鏡照片；（D-F）MEMS微透鏡在不同電壓下的USAF分辨率卡疊層顯微圖片。
整個(gè)MEMS驅(qū)動(dòng)微平臺(tái)芯片（圖2B）呈圓形（直徑4.4毫米），以確保在給定探頭直徑的情況下最大化光學(xué)口徑（直徑1.8毫米）。該MEMS微平臺(tái)由16組相同的MEMS執(zhí)行器并聯(lián)而成，以增強(qiáng)其負(fù)載能力，因此可以直接驅(qū)動(dòng)精密加工的高光學(xué)質(zhì)量透鏡。為增大位移，該MEMS執(zhí)行器（圖2A）由3段正反串聯(lián)的雙材料層電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)而成，其最大位移在10伏驅(qū)動(dòng)電壓即可高達(dá)到200微米。圖2C為組裝好的MEMS微透鏡，質(zhì)量?jī)H8毫克。圖2D-F是通過(guò)此MEMS微透鏡獲取的USAF分辨率卡疊層分別在0、5、8伏驅(qū)動(dòng)電壓下的深度掃描顯微圖片,對(duì)應(yīng)的透鏡位移為0、77、151微米。從圖2D-F可看出，采用電壓控制MEMS微透鏡，位于不同深度的G7E6分辨率單元（2.2微米線(xiàn)寬）清晰可辨。接下來(lái)，本研究將把MEMS透鏡集成于雙光子探頭，使整個(gè)TPM探頭重量小于2克，再通過(guò)包含光纖和銅線(xiàn)的細(xì)軟線(xiàn)連接到光源和探測(cè)系統(tǒng)（圖1A），對(duì)自由活動(dòng)小鼠的腦神經(jīng)元進(jìn)行實(shí)時(shí)三維成像，以真正建立神經(jīng)元活動(dòng)與動(dòng)物行為之間的可靠模型，幫助解密大腦和治療神經(jīng)類(lèi)疾病。該MEMS透鏡也可廣泛用于光學(xué)顯微內(nèi)窺影像。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.400363
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