腦組織三光子高分辨率成像技術(shù)1300納米波長下實現(xiàn)超過90%高透射率

三光子激發(fā)顯微鏡作為一種先進的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對深層組織的高分辨率觀測，但傳統(tǒng)機械調(diào)焦方式存在體積大、響應(yīng)慢等局限。本研究提出了一種基于電潤濕效應(yīng)的可調(diào)諧液體透鏡，利用室溫離子液體（RTIL）與非極性液體1-苯基-1-環(huán)己烯（PCH）的組合，實現(xiàn)了在1300納米波長下超過90%的高透射率，并成功應(yīng)用于三光子顯微鏡系統(tǒng)，在對小鼠腦切片成像中展現(xiàn)出與機械掃描相媲美的性能。這一技術(shù)為微型化、低功耗的深層組織成像設(shè)備提供了新思路。

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，論文題為“Tunable liquid lens for three-photon excitation microscopy”發(fā)表在《Biomedical Optics Express》。

重要發(fā)現(xiàn)
01近紅外兼容液體組合的特性突破
三光子顯微鏡通常使用1300納米或1700納米的近紅外光作為激發(fā)源，以提升組織穿透深度。然而，傳統(tǒng)電潤濕透鏡中的去離子水在近紅外區(qū)域有強吸收（如1300納米時透射率僅77.84%），導(dǎo)致光熱效應(yīng)和設(shè)備失效風(fēng)險。為此，研究團隊篩選出室溫離子液體N-丙基-N-甲基吡咯烷雙（氟磺酰）亞胺（N-Pr-Me-Pyrr(SO2F)2）與PCH的組合。通過紫外-可見-近紅外分光光度計測量，這兩種液體在1.1毫米光程下于1300納米波長的透射率分別達到93.06%和90.35%，顯著優(yōu)于水基溶液。此外，團隊還通過棱鏡耦合器測得二者在1300納米下的折射率分別為1.433和1.556，折射率差達0.123，為透鏡調(diào)焦提供了充足的光學(xué)功率基礎(chǔ)。這一液體組合不僅解決了近紅外吸收問題，還通過密度匹配（密度差0.349 g/cm³）降低了重力對液面的影響，提升了設(shè)備穩(wěn)定性。

創(chuàng)新與亮點
本研究首要突破了傳統(tǒng)水基電潤濕透鏡在近紅外波段吸收強的技術(shù)瓶頸。通過采用室溫離子液體，團隊解決了高功率激光下的熱損傷問題，使透鏡可耐受三光子顯微鏡所需的兆瓦級峰值功率。這一創(chuàng)新將電潤濕技術(shù)的適用波長擴展至1600納米以上，為深組織成像提供了硬件基礎(chǔ)。

技術(shù)層面，團隊首次將N-Pr-Me-Pyrr(SO2F)2與PCH組合用于電潤濕透鏡，其折射率差（0.123）和透射率（>90%）均優(yōu)化至實用水平。相較于早期離子液體組合，該方案密度匹配度更高（密度差0.349 g/cm³），顯著降低了液面重力變形風(fēng)險。此外，透鏡采用全透明ITO電極和微型化封裝，整體尺寸僅立方厘米級，重量不足10克，遠超機械掃描模塊的緊湊性。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該透鏡的價值體現(xiàn)在活體神經(jīng)成像場景中。例如，頭戴式微型顯微鏡需快速軸向掃描以觀測不同皮層層的神經(jīng)元活動。本研究演示的32微米掃描范圍足以覆蓋小鼠皮質(zhì)多層結(jié)構(gòu)，且無需移動物鏡，避免了機械振動引起的圖像漂移。結(jié)合三光子技術(shù)對顱骨穿透的優(yōu)勢，未來可望用于自由活動動物的長期腦功能研究，為神經(jīng)退行性疾病或記憶機制研究提供新工具。

總結(jié)與展望
本研究成功開發(fā)了一種近紅外兼容的電潤濕液體透鏡，通過離子液體與非極性液體的組合，實現(xiàn)了高透射率、大調(diào)諧范圍的焦點控制，并在三光子顯微鏡中驗證了其成像能力。該技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)機械掃描的體積和速度限制，還為微型化生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。展望未來，研究團隊指出可通過優(yōu)化非極性液體選擇（如提升界面張力）進一步縮短響應(yīng)時間，并探索電壓波形整形策略以抑制液面振蕩。此外，該透鏡在自由空間光通信、激光雷達等近紅外應(yīng)用中也具潛力，有望推動自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在多領(lǐng)域的交叉創(chuàng)新。

DOI:10.1364/BOE.516956.