Новости

Apr 12, 2023

Новый максимум

Инновационная конструкция лазерного сканирования обеспечивает высокую точность

Инновационная конструкция лазерного сканирования обеспечивает высокоточные наблюдения со скоростью до 10 000 кадров в секунду, что делает микроскоп мощным записывающим инструментом.

SPIE — Международное общество оптики и фотоники.

Изображение: Объединив два режима лазерного сканирования, исследователи разработали универсальную систему двухфотонной микроскопии, которую можно использовать для наблюдения чрезвычайно быстрых биологических процессов с высокой частотой кадров и пространственным разрешением.посмотреть больше

Фото: Ли и др., doi 10.1117/1.NPh.10.2.025006.

Двухфотонная микроскопия (ТФМ) произвела революцию в области биологии, позволив исследователям наблюдать сложные биологические процессы в живых тканях с высоким разрешением. В отличие от традиционных методов флуоресцентной микроскопии, TPM использует фотоны низкой энергии для возбуждения флуоресцентных молекул для наблюдения. Это, в свою очередь, позволяет проникать в ткань гораздо глубже и гарантирует, что флуоресцентные молекулы или флуорофоры не будут необратимо повреждены возбуждающим лазером.

Однако некоторые биологические процессы просто слишком быстры, чтобы их можно было зарегистрировать даже с помощью самых современных ТРМ. Одним из конструктивных параметров, ограничивающих производительность TPM, является частота строчной развертки, измеряемая в кадрах в секунду (FPS). Это относится к скорости, с которой целевой образец может перемещаться возбуждающим лазером в одном направлении (например, при горизонтальной развертке). Низкая частота сканирования также влияет на общую частоту кадров системы, поскольку она определяет, насколько быстро лазер может перемещаться в другом направлении, то есть при вертикальной развертке. Вместе они создают компромисс между временным разрешением микроскопа и размером рамки наблюдения.

Чтобы обойти эту проблему, международная группа исследователей из Китая и Германии недавно разработала мощную установку TPM с беспрецедентно высокой частотой сканирования строк. Согласно их отчету, опубликованному в Neurophotonics, эта система микроскопии была разработана для визуализации быстрых биологических процессов с высоким временным и пространственным разрешением.

Одним из ключевых факторов, отличающих предлагаемый ТПМ от традиционных, является использование акустооптических дефлекторов (АОД) для управления сканированием возбуждающего лазера. AOD — это особый тип кристалла, показатель преломления которого можно точно контролировать с помощью акустических волн. Это, в свою очередь, позволяет перенаправить через него лазерный луч по желанию. Что еще более важно, AOD обеспечивают более быстрое лазерное управление, чем это достигается с помощью гальванометров, используемых в обычных TPM.

Соответственно, команда разработала специальный AOD с исключительно высокой скоростью звука, используя кристалл диоксида теллура (TeO2), добившись высокой частоты линейного сканирования. Благодаря этому AOD лазер мог сканировать строку в кадре всего за 2,5 микросекунды, что соответствует максимальной частоте сканирования строки 400 кГц. Аналогичным образом команда использовала AOD для достижения разумной медленной частоты сканирования в другом направлении.

Чтобы еще больше улучшить адаптируемость своего микроскопа, команда добавила возможность переключения на механизм лазерного сканирования на основе гальванометра, когда это необходимо. Это позволило сканировать большие области образца с приемлемым разрешением и скоростью, упрощая обнаружение небольших интересующих областей перед переключением на сканирование AOD.

Команда провела несколько экспериментов по проверке концепции с недавно разработанным TPM. Они установили черепные окна на генно-инженерных мышах и использовали их для наблюдения за морфологией и активностью нейронов, а также за движением одиночных эритроцитов (эритроцитов). Система достигла частоты кадров до 10 000 кадров в секунду при использовании соответствующей конфигурации AOD и размера кадра. Этого было достаточно, чтобы точно измерить скорость, с которой кальций распространяется в дендритах нейронов, а также визуализировать траекторию отдельных эритроцитов внутри кровеносных сосудов.

Впечатленный этими результатами, д-р На Джи, заместитель редактора отдела нейрофотоники и кафедры экспериментальной физики Мемориала Луиса Альвареса в Калифорнийском университете в Беркли, отмечает: «Новая система для сканирующей микроскопии на основе АОД представляет собой существенное улучшение скорости получения изображений и производительности, как было продемонстрировано. в его применении для распространения сигнала кальция и измерения кровотока в мозге in vivo».