脑组织三光子高分辨率成像技术1300纳米波长下实现超过90%高透射率
2026-01-09 来源:本站 点击次数:49三光子激发显微镜作为一种先进的生物医学成像技术，能够实现对深层组织的高分辨率观测，但传统机械调焦方式存在体积大、响应慢等局限。本研究提出了一种基于电润湿效应的可调谐液体透镜，利用室温离子液体（RTIL）与非极性液体1-苯基-1-环己烯（PCH）的组合，实现了在1300纳米波长下超过90%的高透射率，并成功应用于三光子显微镜系统，在对小鼠脑切片成像中展现出与机械扫描相媲美的性能。这一技术为微型化、低功耗的深层组织成像设备提供了新思路。
本研究的核心成果由Samuel D. Gilinsky、Diane N. Jung、Greg L. Futia、Mo Zohrabi、Tarah A. Welton、Omkar D. Supekar、Emily A. Gibson、Diego Restrepo、Victor M. Bright和Juliet T. Gopinath共同完成，论文题为“Tunable liquid lens for three-photon excitation microscopy”发表在《Biomedical Optics Express》。
重要发现
01近红外兼容液体组合的特性突破
三光子显微镜通常使用1300纳米或1700纳米的近红外光作为激发源，以提升组织穿透深度。然而，传统电润湿透镜中的去离子水在近红外区域有强吸收（如1300纳米时透射率仅77.84%），导致光热效应和设备失效风险。为此，研究团队筛选出室温离子液体N-丙基-N-甲基吡咯烷双（氟磺酰）亚胺（N-Pr-Me-Pyrr(SO2F)2）与PCH的组合。通过紫外-可见-近红外分光光度计测量，这两种液体在1.1毫米光程下于1300纳米波长的透射率分别达到93.06%和90.35%，显著优于水基溶液。此外，团队还通过棱镜耦合器测得二者在1300纳米下的折射率分别为1.433和1.556，折射率差达0.123，为透镜调焦提供了充足的光学功率基础。这一液体组合不仅解决了近红外吸收问题，还通过密度匹配（密度差0.349 g/cm³）降低了重力对液面的影响，提升了设备稳定性。
研究团队设计了直径4毫米的圆柱形电润湿透镜，其内壁依次镀有氧化铟锡（ITO）电极、聚对二甲苯（Parylene HT）介电层和疏水性Cytop涂层。底部接地电极窗通过微加工技术集成环形金电极，并与玻璃管环氧键合。透镜腔内填充等体积（约35微升）的RTIL和PCH液体，通过施加电压改变液-液界面曲率。实验表明，该透镜的接触角可在0-60伏电压下从133度调至48度，对应焦距范围覆盖-22.95毫米至+23.39毫米，涵盖发散和会聚两种工作模式。通过拟合Lippmann-Young方程，团队计算出液-液界面张力为3.193 mN/m，且在32.5伏以上出现接触角饱和现象。这种宽范围调谐能力为轴向扫描提供了关键支持。
03动态响应与成像集成实验
液体透镜的响应速度直接影响成像效率。由于RTIL粘度较高（52.7 cP），阶跃电压驱动下液面稳定需11.64秒。但通过施加1.75倍过驱动电压（持续50毫秒），稳定时间缩短至5.34秒。团队进一步将透镜集成至三光子显微镜光路中：1300纳米飞秒激光源经扩束后入射至透镜，再通过扫描振镜和25倍水浸物镜聚焦到样品。荧光和谐波信号由光电倍增管采集。实验以Thy1-GCaMP6f转基因小鼠的300微米厚脑切片为样本，对比了电润湿调焦与机械平移物镜的成像效果。结果显示，在20-60伏电压范围内，透镜可实现约32微米的轴向扫描，且第二谐波（血管）、第三谐波（髓鞘）和绿色荧光蛋白（神经元）通道的图像分辨率与机械扫描相当（半高全宽约10微米）。
创新与亮点
本研究首要突破了传统水基电润湿透镜在近红外波段吸收强的技术瓶颈。通过采用室温离子液体，团队解决了高功率激光下的热损伤问题，使透镜可耐受三光子显微镜所需的兆瓦级峰值功率。这一创新将电润湿技术的适用波长扩展至1600纳米以上，为深组织成像提供了硬件基础。
技术层面，团队首次将N-Pr-Me-Pyrr(SO2F)2与PCH组合用于电润湿透镜，其折射率差（0.123）和透射率（>90%）均优化至实用水平。相较于早期离子液体组合，该方案密度匹配度更高（密度差0.349 g/cm³），显著降低了液面重力变形风险。此外，透镜采用全透明ITO电极和微型化封装，整体尺寸仅立方厘米级，重量不足10克，远超机械扫描模块的紧凑性。
在生物医学领域，该透镜的价值体现在活体神经成像场景中。例如，头戴式微型显微镜需快速轴向扫描以观测不同皮层层的神经元活动。本研究演示的32微米扫描范围足以覆盖小鼠皮质多层结构，且无需移动物镜，避免了机械振动引起的图像漂移。结合三光子技术对颅骨穿透的优势，未来可望用于自由活动动物的长期脑功能研究，为神经退行性疾病或记忆机制研究提供新工具。
总结与展望
本研究成功开发了一种近红外兼容的电润湿液体透镜，通过离子液体与非极性液体的组合，实现了高透射率、大调谐范围的焦点控制，并在三光子显微镜中验证了其成像能力。该技术不仅解决了传统机械扫描的体积和速度限制，还为微型化生物医学成像设备奠定了技术基础。展望未来，研究团队指出可通过优化非极性液体选择（如提升界面张力）进一步缩短响应时间，并探索电压波形整形策略以抑制液面振荡。此外，该透镜在自由空间光通信、激光雷达等近红外应用中也具潜力，有望推动自适应光学技术在多领域的交叉创新。
声明：本文仅用作学术目的。
Gilinsky SD, Jung DN, Futia GL, Zohrabi M, Welton TA, Supekar OD, Gibson EA, Restrepo D, Bright VM, Gopinath JT. Tunable liquid lens for three-photon excitation microscopy. Biomed Opt Express. 2024 Apr 24;15(5):3285-3300.
DOI:10.1364/BOE.516956.