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Apr 12, 2023

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혁신적인 레이저 스캐닝 설계로 고정밀도 실현

혁신적인 레이저 스캐닝 설계로 초당 최대 10,000프레임의 고정밀 관찰이 가능해 현미경을 강력한 기록 도구로 만들어줍니다.

SPIE--국제 광학 및 포토닉스 협회

이미지: 연구자들은 두 가지 레이저 스캐닝 모드를 결합하여 높은 프레임 속도와 공간 분해능에서 매우 빠른 생물학적 과정을 관찰하는 데 사용할 수 있는 다목적 2광자 현미경 시스템을 개발했습니다.더보기

출처: Li et al., doi 10.1117/1.NPh.10.2.025006.

2광자 현미경(TPM)은 연구자들이 살아있는 조직의 복잡한 생물학적 과정을 고해상도로 관찰할 수 있게 함으로써 생물학 분야에 혁명을 일으켰습니다. 전통적인 형광 현미경 기술과 달리 TPM은 관찰을 위해 형광 분자를 여기시키기 위해 저에너지 광자를 사용합니다. 이는 결과적으로 조직에 훨씬 더 깊이 침투하는 것을 가능하게 하고 형광 분자 또는 형광단이 여기 레이저에 의해 영구적으로 손상되지 않도록 보장합니다.

그러나 일부 생물학적 프로세스는 최첨단 TPM을 사용해도 기록하기에는 너무 빠릅니다. TPM의 성능을 제한하는 설계 매개변수 중 하나는 초당 프레임 수(FPS)로 측정되는 라인 스캐닝 주파수입니다. 이는 대상 샘플이 여기 레이저에 의해 한 방향(예: 수평 스윕)을 따라 스윕될 수 있는 속도를 나타냅니다. 느린 스캐닝 주파수는 레이저가 다른 방향, 즉 수직 스윕에서 얼마나 빨리 스윕될 수 있는지를 결정하므로 시스템의 전체 FPS에도 영향을 미칩니다. 이 모든 것이 현미경의 시간적 해상도와 관찰 프레임의 크기 사이에 균형을 이룹니다.

이 문제를 해결하기 위해 중국과 독일의 국제 연구원 팀은 최근 전례 없이 높은 라인 스캐닝 빈도를 갖춘 강력한 TPM 설정을 개발했습니다. Neurophotonics에 발표된 보고서에 따르면, 이 현미경 시스템은 높은 시간적 해상도와 공간적 해상도에서 빠른 생물학적 과정을 이미징하기 위해 설계되었습니다.

제안된 TPM을 기존 TPM과 구별하는 주요 요소 중 하나는 여기 레이저의 스캐닝을 제어하기 위해 음향 광학 편향기(AOD)를 사용한다는 것입니다. AOD는 굴절률이 음파에 의해 정밀하게 제어될 수 있는 특수한 유형의 결정입니다. 그러면 원하는 대로 레이저 빔의 방향을 바꿀 수 있습니다. 더 중요한 것은 AOD를 사용하면 기존 TPM에 사용되는 검류계를 사용하여 얻은 것보다 더 빠른 레이저 조향이 가능하다는 것입니다.

이에 따라 팀은 이산화텔루륨(TeO2) 결정을 사용하여 매우 높은 음속을 갖춘 맞춤형 AOD를 설계하여 높은 라인 스캐닝 주파수를 달성했습니다. 이 AOD를 사용하면 레이저는 최대 라인 스캐닝 주파수 400kHz에 해당하는 단 2.5마이크로초 내에 프레임의 라인을 스캔할 수 있습니다. 마찬가지로 팀은 AOD를 사용하여 다른 방향에서 합리적이고 느린 스캐닝 빈도를 달성했습니다.

현미경의 적응성을 더욱 향상시키기 위해 팀은 필요할 때 검류계 기반 레이저 스캐닝 메커니즘으로 전환하는 옵션을 추가했습니다. 이를 통해 허용 가능한 해상도와 속도로 샘플의 넓은 영역을 스캐닝할 수 있어 AOD 스캐닝으로 전환하기 전에 관심 있는 작은 영역을 더 쉽게 찾을 수 있습니다.

팀은 새로 설계된 TPM을 사용하여 여러 가지 개념 증명 실험을 수행했습니다. 그들은 유전자 조작 쥐에 두개골 창을 설치하고 이를 사용하여 뉴런의 형태와 활동은 물론 단일 적혈구(RBC)의 움직임을 관찰했습니다. 시스템은 적절한 AOD 구성과 프레임 크기를 사용하여 최대 10,000FPS의 프레임 속도를 달성했습니다. 이는 칼슘이 신경 수상돌기에서 전파되는 속도를 정확하게 측정하고 혈관 내 개별 적혈구의 궤적을 시각화하는 데 충분했습니다.

이러한 결과에 깊은 인상을 받은 Neurophotonics 부편집장이자 UC Berkeley 실험 물리학 Luis Alvarez Memorial Chair인 Dr. Na Ji는 "AOD 기반 주사 현미경을 위한 새로운 시스템은 입증된 바와 같이 이미징 속도와 성능이 크게 향상되었음을 나타냅니다. 생체 내에서 뇌의 칼슘 신호 전파 및 혈류 측정에 적용됩니다."