基于微镜阵列的单透镜薄片荧光显微镜 _陨石

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江苏激光联盟导读：
本文报道了一种基于微镜阵列（MMA）的LSFM ，它可以实现单物镜的光片成像。由光片照明激发的平面荧光发射由同一物镜收集，中继到MMA上，并由侧视摄像头检测。该方案使LSFM与单目标成像系统兼容，并显示出良好的高时空成像性能。
传统的光片荧光显微镜（LSFM）利用两个垂直排列的物镜分别进行光学激发和检测。这种配置通常会限制高数值孔径（NA）物镜的使用，或者需要专门设计的长工作距离物镜。本文报道了一种基于微镜阵列（MMA）的LSFM ，它可以实现单物镜的光片成像。由光片照明激发的平面荧光发射由同一物镜收集，中继到MMA上，并由侧视摄像头检测。该方案使LSFM与单目标成像系统兼容，并显示出良好的高时空成像性能。
1 介绍
光片荧光显微镜（LSFM）是一种功能强大的荧光成像方式，它利用侧面照明激发试样的光学剖切面，然后在垂直方向检测宽场信号。与逐点扫描相比，由于更高的光子收集效率、更低的光漂白和光毒性，平面激发和检测使LSFM成为一种高速成像方式。
光片荧光显微镜（LSFM）原理的示意图显示：（a）通过样品发光的光片和检测系统正交检测的荧光信号，（b）3D图像的记录，以及（c）多视图图像记录。
在大多数光片成像系统中，激发物镜和探测物镜相互垂直。因此，由于经常需要较长的工作距离，高NA物镜的使用通常受到限制。它还需要在垂直激励和检测方案中采用更复杂的样品安装技术。最近，为了克服两个目标垂直排列的局限性，人们探索了开发单目标LSFM的方法。这种倾斜照明采用单一目标进行激发和检测。因此，在这些方法中需要一个无像差的远程聚焦系统来解决倾斜荧光图像中的散焦问题。通过组合微/纳米制造设备，也可以实现在光片成像中使用单目标的替代方法。
在这项工作中，我们展示了一种新的单目标光片荧光显微镜与微镜阵列（MMA）相结合。 MMA由图1a所示的倾斜平板状微镜的一维阵列构成，其中示意图显示了如何使用MMA将收集的轴向荧光信号反射到横向，并检测到侧视摄像头。从图1a可以看出， MMA相当于共焦狭缝孔径阵列。然后，单物镜可用于激发和检测，充分利用物镜的NA ，如图1b所示。通过在一维方向（垂直于光片激发方向）扫描试样，可以获得MMA的三维成像。样品体积为100μm×88μm×20μm ，横向分辨率为540 nm ，轴向分辨率为2.4μm 。

图1基于MMA的LSFM原理图和仿真结果。 a） MMA的工作原理是将入射的荧光信号沿轴向定向到侧面检测摄像头。所有的微镜都有相同的反射角。 b）LSFM中基于MMA的检测原理图：左上角的绿色箭头表示样本的扫描方向。 OL：物镜；DM：分色镜；LWD：长工作距离物镜。 c） MMA在XZ横截面上的入射信号振幅。 d） MMA在XZ横截面上反射信号的振幅。 e） YZ横截面上摄像头检测到的信号强度。色阶（c）–（e）中的值表示光场的强度。 f）每个微镜收集的功率。高斯光束束腰的位置设置为聚焦在第三个微镜上。
2理论分析
使用光束传播法（BPM）从理论上分析了基于MMA的荧光成像的性能。模拟中的MMA模型设置为与实验中使用的模型相同，其中微镜沿光轴等距排列，并向光轴倾斜54.74° 。反射镜的长度被认为足以覆盖光片激发的平面信号。
假设样品中只有一个荧光发射器，可以将其视为点源。通过物镜和中继光学系统采集后，假设MMA上的入射荧光信号分布为高斯分布。入射高斯光束束腰设置为754 nm ，可被MMA的反射镜覆盖，并可通过成像光学元件进行实验调整，如图1b中的示意图所示。考虑到MMA浸没在介质中，模拟中还考虑了空气和介质之间的折射率差。入射高斯信号沿z方向的振幅分布如图1c所示，在BPM方法中以80 nm的步长计算。图1d显示了MMA反射信号的振幅分布。当信号从MMA反射出去时，使用侧视摄像头检测信号，信号的强度分布如图1e所示。提取每个微镜上收集的功率，如图1f所示，并应用高斯曲线拟合。由于微镜的倾斜角度和模拟中包含的折射率差，拟合曲线的峰值位置移动到19.6μm 。

基于微镜阵列的单透镜薄片荧光显微镜

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