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

三光子激發(fā)顯微鏡作為一種先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)深層組織的高分辨率觀測(cè)，但傳統(tǒng)機(jī)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(rùn)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(shí)現(xiàn)了在1300納米波長(zhǎng)下超過(guò)90%的高透射率，并成功應(yīng)用于三光子顯微鏡系統(tǒng)，在對(duì)小鼠腦切片成像中展現(xiàn)出與機(jī)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(rùn)濕透鏡中的去離子水在近紅外區(qū)域有強(qiáng)吸收（如1300納米時(shí)透射率僅77.84%），導(dǎo)致光熱效應(yīng)和設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)。為此，研究團(tuán)隊(duì)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(guò)紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)測(cè)量，這兩種液體在1.1毫米光程下于1300納米波長(zhǎng)的透射率分別達(dá)到93.06%和90.35%，顯著優(yōu)于水基溶液。此外，團(tuán)隊(duì)還通過(guò)棱鏡耦合器測(cè)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(dá)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(wèn)題，還通過(guò)密度匹配（密度差0.349 g/cm³）降低了重力對(duì)液面的影響，提升了設(shè)備穩(wěn)定性。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
本研究首要突破了傳統(tǒng)水基電潤(rùn)濕透鏡在近紅外波段吸收強(qiáng)的技術(shù)瓶頸。通過(guò)采用室溫離子液體，團(tuán)隊(duì)解決了高功率激光下的熱損傷問(wèn)題，使透鏡可耐受三光子顯微鏡所需的兆瓦級(jí)峰值功率。這一創(chuàng)新將電潤(rùn)濕技術(shù)的適用波長(zhǎng)擴(kuò)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(tuán)隊(duì)首次將N-Pr-Me-Pyrr(SO2F)2與PCH組合用于電潤(rùn)濕透鏡，其折射率差（0.123）和透射率（>90%）均優(yōu)化至實(shí)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(xiǎn)。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(jí)，重量不足10克，遠(yuǎn)超機(jī)械掃描模塊的緊湊性。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該透鏡的價(jià)值體現(xiàn)在活體神經(jīng)成像場(chǎng)景中。例如，頭戴式微型顯微鏡需快速軸向掃描以觀測(cè)不同皮層層的神經(jīng)元活動(dòng)。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(wú)需移動(dòng)物鏡，避免了機(jī)械振動(dòng)引起的圖像漂移。結(jié)合三光子技術(shù)對(duì)顱骨穿透的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)可望用于自由活動(dòng)動(dòng)物的長(zhǎng)期腦功能研究，為神經(jīng)退行性疾病或記憶機(jī)制研究提供新工具。

總結(jié)與展望
本研究成功開(kāi)發(fā)了一種近紅外兼容的電潤(rùn)濕液體透鏡，通過(guò)離子液體與非極性液體的組合，實(shí)現(xiàn)了高透射率、大調(diào)諧范圍的焦點(diǎn)控制，并在三光子顯微鏡中驗(yàn)證了其成像能力。該技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)機(jī)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(lái)，研究團(tuán)隊(duì)指出可通過(guò)優(yōu)化非極性液體選擇（如提升界面張力）進(jìn)一步縮短響應(yīng)時(shí)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(dá)等近紅外應(yīng)用中也具潛力，有望推動(dòng)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.