I microscopi a scansione laser possono essere miniaturizzati per visualizzare microambienti in vivo tramite l'inclusione all'interno di dispositivi di sistema micromeccanico ottico (MEMS) per sostituire i componenti più grandi esistenti. I dispositivi ottici attivi multifunzionali sono componenti emergenti che supportano la miniaturizzazione per prestazioni limitate dalla diffrazione con progetti di sistemi ottici più semplici nei dispositivi ottici. In un recente studio, Tianbo Liu e un team di ricercatori nei dipartimenti di Ingegneria Elettrica e Informatica e Dermatologia negli Stati Uniti hanno proposto una lente obiettivo per microscopio catadiottrico (che consente sia la riflessione che la rifrazione della luce), dotato di un dispositivo MEMS integrato per eseguire la scansione biassiale, regolazione della messa a fuoco assiale e controllo dell'aberrazione sferica.

Gli scienziati dei materiali hanno incluso uno scanner MEMS riflettente nell'architettura MEMS-in-the-lens per supportare l'imaging ad alta apertura numerica (NA) che raccoglie la luce attraverso una gamma più ampia di angoli per generare immagini. Liu et al. implementato l'architettura MEMS-in-the-lens includendo lo specchio di scansione nella lente dell'obiettivo, dove l'asse del raggio era normale alla superficie dello specchio senza la necessità di un divisore di raggio per separare il raggio incidente e riflesso. Hanno dimostrato le prestazioni ottiche del sistema catadiottrico (un sistema ottico che consente sia la rifrazione che la riflessione della luce con un'aberrazione minima) mediante l'imaging di bersagli rigidi e morbidi utilizzando un microscopio confocale basato sul nuovo design della lente dell'obiettivo. La migliore tecnica di imaging consentirà una diagnosi avanzata delle condizioni mediche. I risultati dello studio sono ora pubblicati su Luce:scienza e applicazioni .

Gli organi non preparati e non chiariti negli animali vivi possono essere ripresi in vivo utilizzando tecniche di microscopia laser confocale e multifotone a scansione. I progressi tecnici hanno facilitato l'imaging da banco di piccoli modelli animali come topi, con adeguate applicazioni mediche emergenti anche nelle cliniche dermatologiche per esaminare in modo non invasivo le biopsie cutanee ottiche. Però, i microscopi a scansione laser convenzionali sono grandi e limitano le procedure di imaging sia mediche che di animali vivi. Per accedere al corpo umano e all'immagine degli animali deambulanti, gli scienziati devono quindi miniaturizzare questi strumenti.

I meccanismi di scansione miniaturizzati con strumenti più piccoli come i dispositivi di sistema micromeccanico possono sostituire i meccanismi ingombranti esistenti necessari per scansionare e focalizzare il raggio per applicazioni finora improbabili. Per esempio, gli scienziati sono stati in grado di montare un microscopio a due fotoni miniaturizzato a scansione MEMS del peso di soli 2,15 g sulla testa di un topo che si muove liberamente per l'imaging cerebrale. I dispositivi hanno anche facilitato l'adattamento della microscopia a scansione laser nelle piattaforme endoscopiche e durante gli esperimenti di biopsia ottica basati su MEMS per rilevare il cancro in vivo. Oltre al suo ingombro ridotto, uno scanner MEMS contribuisce alla miniaturizzazione combinando più gradi di libertà durante la sua produzione insieme alla sua architettura ottica.

Nel presente lavoro, Liu et al. esplorato una nuova architettura ottica per una miniatura, microscopio laser a scansione ad alto NA con uno scanner MEMS 3D all'interno della lente dell'obiettivo. Hanno illustrato il layout ottico del MEMS-in-the-lens per fabbricare il dispositivo e utilizzarlo in vivo. Gli scienziati hanno progettato lo specchio di scansione 3D MEMS riproducendo con successo un metodo precedentemente introdotto dallo stesso gruppo. Per la microscopia in vivo, hanno operato l'iperemisfero (che offre un campo visivo più ampio) a contatto con un tessuto contenente un indice di rifrazione variabile compreso tra 1,3 e 1,4. In base ai parametri, gli scienziati hanno simulato le prestazioni di imaging della configurazione. Hanno concluso che l'iperemisfero del vetro BK-7 è efficace come elemento dell'obiettivo anteriore per un microscopio tissutale con uno scanner MEMS 3-D attivo distribuito all'apertura simulata.

Per dimostrare l'imaging confocale, gli scienziati hanno utilizzato un modello da banco della lente dell'obiettivo con uno specchio MEMS 3D integrato. Liu et al. fissato lo specchio sul palco del campione utilizzando uno strato sottile di gel per ultrasuoni a base d'acqua. Come esempio, hanno introdotto campioni di cellule della guancia umana (~ 80 µm) sul palco del campione, e catturato le loro immagini utilizzando il microscopio da allora in poi. Durante la creazione, gli scienziati hanno utilizzato un laser al neon ad elio da 633 nm per l'illuminazione. Hanno quindi attaccato il campione di interesse sul wafer di vetro opposto alla lente dell'iperemisfero. Liu et al. incluso un divisore di raggio 50/50 tra la fibra ottica e l'elemento dell'obiettivo composto per separare la luce riflessa, e un foro stenopeico da 10 µm per filtrare spazialmente la luce riflessa.

Il microscopio confocale MEMS ha anche permesso l'imaging sotto la superficie del campione e Liu et al. dimostrato questo tramite l'imaging di un campione di interesse. Per il campione, hanno sospeso microsfere di polistirene da 6 µm in un gel a trasmissione di ultrasuoni, quindi hanno seguito il processo di imaging con la ricostruzione volumetrica delle immagini per illustrare meglio il sezionamento confocale a diversi piani focali. Sebbene le immagini fossero ben risolte, gli scienziati hanno osservato che i profili 3D delle perle non erano né uniformi né simmetrici, richiedendo un'ulteriore ottimizzazione della tecnica.

Lo specchio 3-D MEMS sviluppato ha fornito la scansione completa e il controllo della messa a fuoco per lo strumento, insieme al controllo elettronico dell'aberrazione sferica. Il nuovo lavoro ha mostrato una risoluzione migliorata rispetto agli specchi MEMS 3D precedentemente descritti, per consentirne l'inclusione in un sistema MEMS-in-the-lens compatto.

In questo modo, Tianbo Liu e i suoi collaboratori hanno proposto e sviluppato una lente obiettivo per microscopio catadiottrico MEMS-in-the-lens e hanno integrato uno scanner 3D MEMS per eseguire la scansione biassiale con aberrazione sferica controllata durante le applicazioni di imaging. Liu et al. simulato lo sviluppo dell'architettura dello strumento proposta per indicare una considerevole promessa per il futuro, microscopi a scansione laser miniaturizzati e ad alto NA per applicazioni di imaging in vivo.

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