面向极端振动冲击环境的微型化双光子显微镜系统设计与性能验证

《Journal of Systems Engineering and Electronics》：Miniaturized two-photon microscopy system for extreme shock and vibration environment

本刊推荐：为解决传统双光子显微镜在极端力学环境下无法稳定成像的问题，研究人员开展了微型化双光子显微镜系统的抗冲击振动设计研究。通过有限元仿真与光线追迹技术验证，该系统在250g冲击加速度和50-400Hz随机振动环境下最大应力仅为11.5MPa，理论分辨率变化小于0.2nm。环境试验后实测分辨率保持530nm，成功实现对皮肤角质层至基底层的高分辨成像，为航空航天等极端环境下的生物医学监测提供了新技术手段。

　　

在生物医学研究领域，双光子荧光显微镜（Two-photon fluorescence microscopy）凭借其深层组织成像能力和非侵入性特点，已成为观察活体细胞代谢活动的利器。传统台式设备虽能实现亚微米级分辨率，但其庞大的光学平台和精密的机械结构在航天发射、车载医疗等存在剧烈振动冲击的环境中显得力不从心。当面临250g量级的冲击加速度或宽频随机振动时，光学元件的微小位移就可能导致光路失调、成像质量骤降。这种局限性严重制约了双光子成像技术在特殊环境下的应用，例如航天员在轨健康监测、战场医疗诊断等场景亟需一种兼具高分辨率与强环境适应性的微型化成像设备。

针对这一技术瓶颈，由北京航空航天大学、北京大学等多单位研究人员组成的团队在《Journal of Systems Engineering and Electronics》发表最新研究成果，报道了一种能耐受极端力学环境的微型化双光子显微镜系统。该研究通过创新性的机械结构设计与光学仿真验证，使微型探针在经历模拟航天发射环境的力学测试后，仍能保持稳定的成像性能。

研究人员主要采用三项关键技术方法：首先基于有限元仿真（Finite Element Simulation）对7075-T6铝合金、A36结构钢和铜三种探针材料进行力学性能筛选；其次运用几何光学仿真（Geometric Optics Simulation）分析光学元件偏移对点扩散函数（Point Spread Function, PSF）的影响；最后通过实际环境试验（包括50-400Hz随机振动和250g冲击试验）验证系统可靠性。研究涉及的生物样本为人体皮肤组织，通过分层成像验证设备性能。

材料力学性能仿真结果

通过有限元分析对比三种候选材料在0.1-0.5g²/Hz随机振动下的应力响应，发现7075-T6铝合金最大应力为23.7MPa，远低于其屈服强度（400MPa）和抗拉强度（530MPa）。铜材料在振动参数超过0.22g²/Hz时存在断裂风险，且最大偏轴位移达43μm。综合考虑重量和加工精度，最终选择7075-T6铝合金作为探针主体材料。

三轴力学环境测试

随机振动测试显示探针在x、y、z轴向上的3σ应力值分别为11MPa、0.9MPa和580Pa，均远低于材料强度极限。最大变形集中于光纤准直器部位，x轴振动引起10.9μm偏移。

冲击测试中准直器最大偏心仅43.2nm，对光路影响可忽略。

光学性能仿真验证

通过ZEMAX软件进行PSF分析表明，当准直器发生10.9μm偏移时，点扩散函数半高宽（FWHM）从463.28nm变为463.48nm，焦点中心产生127nm横向位移。对于点扫描成像系统，这种量级的变化不会显著影响成像质量。

环境试验后性能验证

振动试验后采用100nm荧光微球标定系统分辨率，高斯拟合结果显示分辨率从550nm变为554nm，误差仅4nm。

对皮肤组织进行60μm深度三维成像，清晰呈现角质层、颗粒层、棘层和基底层细胞结构。

该研究通过力学仿真与光学验证相结合的系统性方法，证实了微型化双光子显微镜在极端环境下的可靠性。探针结构在力学测试中最大应力仅为材料强度的2.9%，光学分辨率变化控制在0.04%以内。成功实现的皮肤分层成像验证了设备在复杂力学环境下仍具备亚细胞级分辨能力，为空间生命科学实验、移动医疗诊断等场景提供了关键技术支撑。这种多物理场耦合的设计验证范式，也为其他精密仪器在极端环境下的适应性设计提供了重要参考。