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
發布日期：2020-09-29 供稿：信息與電子學院
編輯：劉蘇儀 審核：司黎明 閱讀次數：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、訪問學者余小敏、Philip Feng教授合作，基于微機電系統技術，即Micro-electro-mechanicalsystem（MEMS），開發了具有高填充率、高光學質量、大變焦范圍的MEMS透鏡，是制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系。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，微型光纖探頭固定于其頭部。（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，多個研究小組采用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探頭對于小鼠而言過于笨重，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微驅動平臺芯片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驅動微平臺芯片（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微平臺由16組相同的MEMS執行器并聯而成，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，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微米線寬）清晰可辨。接下來，本研究將把MEMS透鏡集成于雙光子探頭，使整個TPM探頭重量小于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透鏡也可廣泛用于光學顯微內窺影像。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.400363
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