开源双光子光片显微镜设计：基于负曲率空心光纤的低成本高分辨率成像方案

本研究针对双光子光片显微镜(2P-LSFM)成本高、搭建复杂的技术瓶颈，开发了一种基于负曲率空心光纤(HC-NCF)的开源系统。通过将商用显微镜改造为双模式（单/双光子）光片成像平台，研究人员实现了93%的宽带传输效率（400-1500nm）和亚细胞级分辨率（23μm模式场直径），成功在斑马鱼全脑成像中验证了其快速体积扫描（11ms/层）和低光毒性优势。该设计显著降低了多光子成像技术的应用门槛，为神经科学和发育生物学研究提供了普惠性工具。

　　

在生物医学成像领域，光片荧光显微镜(LSFM)因其独特的光学切片能力和低光毒性，已成为研究胚胎发育和神经活动的利器。然而传统双光子光片系统面临三重困境：价值百万的飞秒激光器让普通实验室望而却步；复杂的光路调试需要专业光学工程师；现有显微镜难以兼容升级。更棘手的是，常规光纤传输会引发脉冲色散，导致成像分辨率断崖式下降。这些技术壁垒使得多光子成像技术长期被困在顶级实验室的象牙塔中。

法国索邦大学Volker Bormuth团队在《Scientific Reports》发表了一项破局之作。他们巧妙利用新型负曲率空心光纤(HC-NCF)的宽带传输特性，将商用正置显微镜改造成双模式光片系统。这种八边形空气芯光纤如同"光学高速公路"，能同时传输可见连续激光（488nm）和飞秒脉冲红外激光（915nm），传输效率高达98%且脉冲展宽仅28nm。研究团队通过开源共享所有3D设计图纸和搭建教程，使该系统成本降低至传统方案的1/5。

关键技术包括：1）采用30μm芯径HC-NCF实现双波段（400-535nm/700-1500nm）激光传输；2）开发NA扩展器将光纤输出NA从0.02提升至0.1；3）集成压电陶瓷驱动实现11ms/层的快速体积扫描；4）在斑马鱼幼虫（6dpf）全脑表达H2B-GCaMP6f钙指示剂，验证功能成像效果。

结果

显微镜改造方案

通过6×9×10 cm³的紧凑光片模块，将Scientifica电生理显微镜升级为双光子系统。模块采用伽利略望远镜结构（5×/0.16NA物镜对），仅需调节振镜偏转角度（45°±5°）和光纤-物镜间距两个参数即可完成校准。

光纤传输性能

HC-NCF在1030nm波长下M²因子仅1.23，40μJ脉冲能量下无损伤。通过2mm焦距NA扩展镜，将23μm光纤模场压缩至5μm以下，实现1μm轴向分辨率。

成像验证

在斑马鱼全脑成像中，双光子模式展现显著优势：相比单光子模式，在深层组织（>100μm）背景信号降低62%，单个神经元（H2B-GCaMP6f标记）信噪比提升3.1倍。系统成功捕捉到5Hz频率的神经自发钙活动。

这项研究通过三大创新点重塑了多光子成像技术格局：首先，HC-NCF的宽带特性实现了激光器资源共享，单台飞秒激光可服务多个显微镜；其次，模块化设计使系统搭建时间从数月缩短至一周；最后，开源策略（GitHub平台提供全部CAD图纸）彻底打破技术垄断。该成果不仅为神经环路研究提供了普惠型工具，其光纤技术更为未来内窥式多光子成像开辟了新路径。正如作者所言："这不仅是设备的民主化，更是科学发现的民主化"。