二波長Erドープファイバーレーザーを用いた二光子・三光子同時イメージングのための小型マルチモーダルマルチフォトン顕微鏡

Miniaturized multimodal multiphoton microscope for simultaneous two-photon and three-photon imaging with a dual-wavelength Er-doped fiber laser.

• Lin Huang
• Xin Zhou
• Qihao Liu
• Calum E MacAulay
• Shuo Tang

抄録

2光子顕微鏡(2PM)と3光子顕微鏡(3PM)の両方の信号を取得するために、マルチモーダル多光子顕微鏡(MPM)を開発した。光源には二波長Erドープファイバーレーザーを用い、1580nmの基本パルスで第三高調波発生(THG)を励起し、790nmの周波数倍パルスで固有二光子励起蛍光(TPEF)と第二高調波発生(SHG)を励起する。TPEF、SHG、およびTHG画像は、それぞれ異なるコントラストメカニズムにより、細胞、コラーゲン線維、脂質、界面などの組織に関する相補的な情報を、すべてラベルフリーで取得することができます。小型のMPMイメージングプローブは、小型の対物レンズとマイクロ電気機械スキャナを用いて開発されています。さらに、フェムト秒レーザーパルスはシングルモードファイバで送出され、信号はマルチモードファイバで収集されるため、小型化されたMPMは直接ファイバ結合され、コンパクトでポータブルなものとなっている。デュアル励起波長を使用する際の設計上の考慮事項について議論する。TPEF, SHG, THGによるマルチモーダルイメージングとラベルフリーイメージングを生体試料上で実証した。小型化されたマルチモーダルMPMは、厚い組織や生きた組織のラベルフリーイメージングに大きな可能性を持っていることを示す。

A multimodal multiphoton microscopy (MPM) is developed to acquire both two-photon microscopy (2PM) and three-photon microscopy (3PM) signals. A dual-wavelength Er-doped fiber laser is used as the light source, which provides the fundamental pulse at 1580 nm to excite third harmonic generation (THG) and the frequency-doubled pulse at 790 nm to excite intrinsic two-photon excitation fluorescence (TPEF) and second harmonic generation (SHG). Due to their different contrast mechanisms, the TPEF, SHG, and THG images can acquire complementary information about tissues, including cells, collagen fibers, lipids, and interfaces, all label-free. The compact MPM imaging probe is developed using miniature objective lens and a micro-electro-mechanical scanner. Furthermore, the femtosecond laser pulses are delivered by a single mode fiber and the signals are collected by a multimode fiber, which makes the miniaturized MPM directly fiber-coupled, compact, and portable. Design considerations on using the dual excitation wavelengths are discussed. Multimodal and label-free imaging by TPEF, SHG, and THG are demonstrated on biological samples. The miniaturized multimodal MPM is shown to have great potential for label-free imaging of thick and live tissues.

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