北理工在光學三維顯微成像探頭關鍵技術方面取得新進展


  近日,北京理工大學信息與電子學院謝會開教授、機電學院講師李建華,與佛羅里達大學電子與計算機工程系博士生周亮、訪問學者餘小敏、Philip Feng教授合作,基於微機電系統技術,即Micro-electro-mechanicalsystem(MEMS),開發了具有高填充率、高光學質量、大變焦範圍的MEMS透鏡,是製作雙光子顯微影像微型光學探頭的關鍵器件,可用以以實現對自由活動的小動物進行頭戴式實時腦成像,更好研究腦神經元活動與動物行為之間的關係。相關結果以《A MEMS lens scanner based on serpentine electrothermal bimorph actuators for large axial tuning》為題,發表在光學領域頂級期刊Optics Express (影響影子IF: 3.669)。

圖1. (A) 光學成像中的可自由活動的小動物,微型光纖探頭固定於其頭部。(b)微型探頭內部的三維掃描光路。

  雙光子顯微成像(TPM)具有高分辨率和大成像深度,已在活體腦成像領域嶄露頭角,多個研究小組採用TPM均實現了對小鼠腦內神經元活動的長時間觀察,為探索大腦提供了重要途徑。但目前因TPM探頭對於小鼠而言過於笨重,一般只能將小鼠與TPM探頭相對固定。因此為了真正能夠研究自由活動中的小鼠,本研究提出一種圖1A所示的頭戴式光纖TPM微型探頭。因大腦神經元立體交錯,該TPM探頭必須能夠進行三維掃描,如圖1B所示,其中的x/y二維掃描已可以通過MEMS掃描微鏡實現,但是z方向的深度掃描通常還是需要電機馬達完成,體積和重量仍然難以讓小鼠承載。雖已有人提出用MEMS變焦透鏡來減小體積和重量,但未能解決透鏡的光學質量和所需調焦位移行程。因此,本研究提出了一種新穎的MEMS執行器單元(圖2A),直接驅動高光學質量的透鏡,從而實現大光學口徑、大行程、低驅動電壓的MEMS變焦透鏡(圖2C)。

圖2. (A) 電熱MEMS執行器SEM;(B)MEMS微驅動平台芯片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MEMS驅動微平台芯片(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口徑(直徑1.8毫米)。該MEMS微平台由16組相同的MEMS執行器並聯而成,以增強其負載能力,因此可以直接驅動精密加工的高光學質量透鏡。為增大位移,該MEMS執行器(圖2A)由3段正反串聯的雙材料層電熱驅動結構級聯而成,其最大位移在10伏驅動電壓即可高達到200微米。圖2C為組裝好的MEMS微透鏡,質量僅8毫克。圖2D-F是通過此MEMS微透鏡獲取的USAF分辨率卡疊層分別在0、5、8伏驅動電壓下的深度掃描顯微圖片,對應的透鏡位移為0、77、151微米。從圖2D-F可看出,採用電壓控制MEMS微透鏡,位於不同深度的G7E6分辨率單元(2.2微米線寬)清晰可辨。接下來,本研究將把MEMS透鏡集成於雙光子探頭,使整個TPM探頭重量小於2克,再通過包含光纖和銅線的細軟線連接到光源和探測系統(圖1A),對自由活動小鼠的腦神經元進行實時三維成像,以真正建立神經元活動與動物行為之間的可靠模型,幫助解密大腦和治療神經類疾病。該MEMS透鏡也可廣泛用於光學顯微內窺影像。

  論文鏈接://doi.org/10.1364/OE.400363

 

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