Laserscanmicroscopen kunnen worden geminiaturiseerd om micro-omgevingen in vivo af te beelden via opname in optische micromechanische systeem (MEMS) -apparaten om de bestaande grotere componenten te vervangen. Multifunctionele actieve optische apparaten zijn opkomende componenten die miniaturisatie ondersteunen voor diffractiebeperkte prestaties met eenvoudigere optische systeemontwerpen in optische apparaten. In een recente studie, Tianbo Liu en een team van onderzoekers van de afdelingen Electrical and Computer Engineering en Dermatology in de VS stelden een catadioptrische (die zowel lichtreflectie als breking mogelijk maakt) microscoopobjectief voor, met een geïntegreerd MEMS-apparaat om biaxiaal scannen uit te voeren, axiale focus aanpassing en controle sferische aberratie.

De materiaalwetenschappers hebben een reflecterende MEMS-scanner in de MEMS-in-the-lens-architectuur opgenomen om beeldvorming met hoog numeriek diafragma (NA) te ondersteunen die licht verzamelt over een groter aantal hoeken om afbeeldingen te genereren. Liu et al. de MEMS-in-the-lens-architectuur geïmplementeerd door de scanspiegel in de objectieflens op te nemen, waarbij de straalas loodrecht op het spiegeloppervlak stond zonder dat een straalsplitser nodig was om de invallende en gereflecteerde straal te scheiden. Ze demonstreerden de optische prestaties van het catadioptrische systeem (een optisch systeem dat zowel lichtbreking als reflectie met minimale aberratie mogelijk maakt) door harde en zachte doelen in beeld te brengen met behulp van een confocale microscoop op basis van het nieuwe objectieflensontwerp. De verbeterde beeldvormingstechniek zal een geavanceerde diagnose van medische aandoeningen mogelijk maken. De resultaten van het onderzoek zijn nu gepubliceerd op Licht:wetenschap en toepassingen .

Onvoorbereide en niet-geklaarde organen in levende dieren kunnen in vivo worden afgebeeld met behulp van confocale scanning laser en multiphoton microscopie technieken. Technische vooruitgang heeft de beeldvorming van kleine diermodellen zoals muizen, met geschikte medische toepassingen die ook in opkomst zijn in dermatologische klinieken om optische huidbiopten niet-invasief te onderzoeken. Echter, conventionele laser scanning microscopen zijn groot en beperken zowel medische als levende dieren imaging procedures. Om toegang te krijgen tot het menselijk lichaam en ambulante dieren af ​​te beelden, wetenschappers moeten deze instrumenten daarom miniaturiseren.

Geminiaturiseerde scanmechanismen met kleinere instrumenten zoals micromechanische systeemapparaten kunnen bestaande omvangrijke mechanismen vervangen die nodig zijn om de straal te scannen en te focusseren voor tot nu toe onwaarschijnlijke toepassingen. Bijvoorbeeld, wetenschappers waren in staat om een ​​MEMS-gescande geminiaturiseerde twee-fotonmicroscoop met een gewicht van slechts 2,15 g op het hoofd van een vrij bewegende muis te monteren voor beeldvorming van de hersenen. De apparaten hebben ook laserscanmicroscopie mogelijk gemaakt om te worden aangepast in endoscopische platforms en tijdens MEMS-gebaseerde optische biopsie-experimenten om kanker in vivo te detecteren. Naast zijn kleinere voetafdruk, een MEMS-scanner draagt ​​bij aan miniaturisatie door tijdens de productie meerdere vrijheidsgraden te combineren met zijn optische architectuur.

In het huidige werk, Liu et al. verkende een nieuwe optische architectuur voor een miniatuur, high-NA scanning lasermicroscoop met een 3D MEMS scanner binnen de objectieflens. Ze illustreerden de optische lay-out van de MEMS-in-the-lens om het apparaat te fabriceren en in vivo te bedienen. De wetenschappers ontwikkelden de MEMS 3D-scanspiegel door met succes een methode te reproduceren die eerder door dezelfde groep was geïntroduceerd. Voor in vivo microscopie, ze bedienden de hyperhemisfeer (die een breder gezichtsveld biedt) in contact met weefsel met een variabele brekingsindex variërend van 1,3 tot 1,4. Op basis van de parameters, de wetenschappers simuleerden de beeldprestaties van de opstelling. Ze concludeerden dat hyperhemisfeer van BK-7-glas effectief is als frontlenselement voor een weefselmicroscoop met een actieve 3D MEMS-scanner die is ingezet bij de gesimuleerde opening.

Om confocale beeldvorming aan te tonen, de wetenschappers gebruikten een bench-top mockup van de objectieflens met een geïntegreerde 3D MEMS-spiegel. Liu et al. bevestigde de spiegel op het monsterstadium met behulp van een dunne laag ultrasone gel op waterbasis. Als voorbeeld, ze introduceerden monsters van menselijke wangcellen (~ 80 µm) op het monsterstadium, en legden daarna hun beelden vast met behulp van de microscoop. Tijdens beeldvorming, de wetenschappers gebruikten een helium-neonlaser van 633 nm voor verlichting. Vervolgens bevestigden ze het betreffende monster op de glazen wafel tegenover de hyperhemisfeer-lens. Liu et al. inclusief een 50/50 bundelsplitser tussen de optische vezel en het samengestelde lenselement om het gereflecteerde licht te scheiden, en een gaatje van 10 µm om het gereflecteerde licht ruimtelijk te filteren.

De MEMS-confocale microscoop maakte ook beeldvorming onder het oppervlak van het monster mogelijk en Liu et al. demonstreerde dit via beeldvorming van een monster van belang. Voor het monster, ze hingen 6 µm polystyreen microbolletjes in een ultrasone transmissiegel en volgden het beeldvormingsproces op met volumetrische reconstructie van de beelden om confocale coupes op verschillende focale vlakken beter te illustreren. Hoewel de beelden goed waren opgelost, de wetenschappers merkten op dat de 3D-profielen van de kralen niet uniform of symmetrisch waren, waardoor verdere optimalisatie van de techniek nodig was.

De ontwikkelde 3-D MEMS-spiegel zorgde voor volledige scan- en focuscontrole voor het instrument, naast elektronische controle van de sferische aberratie. Het nieuwe werk toonde een verbeterde resolutie in vergelijking met eerder beschreven 3D MEMS-spiegels, om de opname in een compact MEMS-in-the-lens-systeem mogelijk te maken.

Op deze manier, Tianbo Liu en collega's hebben een catadioptrische MEMS-in-the-lens-microscoopobjectief voorgesteld en ontwikkeld en een MEMS 3D-scanner geïntegreerd om biaxiaal scannen uit te voeren met gecontroleerde sferische aberratie tijdens beeldvormingstoepassingen. Liu et al. simuleerde de ontwikkeling van de voorgestelde instrumentarchitectuur om een ​​aanzienlijke belofte voor de toekomst aan te geven, geminiaturiseerde en high-NA laser scanning microscopen voor in vivo beeldvormingstoepassingen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk