概述

在光譜的短波紅外 (SWIR) 區(qū)域工作為研究人員提供了多種優(yōu)勢，包括能夠避開不需要的熒光背景以及更深入地探測樣品表面。采用砷化鎵 (InGaAs) 焦平面陣列 (FPA) 的深冷相機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)進(jìn)一步提高了各種短波紅外成像和光譜技術(shù)在低光科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中的實用性 。

最近，麻省理工學(xué)院 (MIT) 的研究人員公布了一項研究結(jié)果，他們利用市售的最先進(jìn)的深冷 InGaAs FPA 相機(jī)技術(shù)(見圖 1)來評估新型 InAs 短波紅外量子點(diǎn)。在首席研究員Moungi G. Bawendi 博士的支持下，主要作者 Oliver T. Bruns 博士和 Thomas S. Bischof 博士證明，這些新型短波紅外發(fā)射核/殼量子點(diǎn) (QD) 為未來的發(fā)展帶來了巨大希望。體內(nèi)短波紅外成像的產(chǎn)生。

圖 1：Princeton Instruments 的 NIRvana? 科學(xué)相機(jī)配備熱電冷卻 InGaAs 探測器，每秒可提供高達(dá) 110 個全幀。

Bawendi博士的實驗室位于該大學(xué)化學(xué)系，專注于納米晶體，特別是半導(dǎo)體納米晶體(即量子點(diǎn))的基礎(chǔ)科學(xué)和前沿應(yīng)用。該實驗室與許多生物學(xué)和醫(yī)學(xué)團(tuán)體合作，設(shè)計能夠應(yīng)對特定挑戰(zhàn)的納米晶體探針，包括用作體內(nèi)分子成像劑。

本應(yīng)用說明將總結(jié)實驗室使用 Princeton Instruments NIRvana 科學(xué)相機(jī)對作為體內(nèi)成像劑的新型 InAs 基短波紅外發(fā)射量子點(diǎn)進(jìn)行上述評估。

宏觀和微觀短波紅外成像

為了通過皮膚和頭骨對受試者(即小鼠)大腦的脈管系統(tǒng)進(jìn)行宏觀成像，麻省理工學(xué)院的研究人員建立了一個定制的實驗裝置，將通過各種濾光片發(fā)出的光引導(dǎo)到配備各種 C 接口鏡頭的NIRvana相機(jī)。為了消除多余的光線，同時能夠在操作過程中操縱視野，整個宏觀成像組件被部分外殼包圍。

使用連接到倒置顯微鏡側(cè)端口的NIRvana 相機(jī)以及 10 倍或 2 倍物鏡進(jìn)行顯微成像。使用光纖耦合 808 nm 激光二極管進(jìn)行照明，并使用散斑去除器。二向色濾光片將激發(fā)光引導(dǎo)至樣品。然后 1000 nm 長通濾光片選擇發(fā)射光將相機(jī)的InGaAs陣列冷卻至-80°C以進(jìn)行顯微成像，模數(shù)轉(zhuǎn)換速率設(shè)置為10 MHz，增益設(shè)置為高。使用不同的曝光時間會導(dǎo)致不同的幀速率。

數(shù)據(jù)與結(jié)果

麻省理工學(xué)院的研究人員呼吁人們注意這樣一個事實：盡管血液和組織的光吸收水平較低、散射減少以及普遍缺乏自發(fā)熒光可以使小鼠在短波紅外區(qū)域成像時呈半透明狀態(tài)，但仍然需要一個多功能發(fā)射器平臺阻礙了生物醫(yī)學(xué)研究界廣泛采用體內(nèi)短波紅外成像。然而，他們的新型 InAs 核/殼量子點(diǎn)(見圖 2)表現(xiàn)出比之前描述的 SWIR 探針高得多的發(fā)射量子產(chǎn)率(QY)，以及窄且尺寸可調(diào)的發(fā)射，允許在 SWIR 中進(jìn)行復(fù)用地區(qū)。

圖 2：(a) 核/殼短波紅外量子點(diǎn)示意圖。(b) 核/殼 SWIR 量子點(diǎn)在水緩沖液中的量子產(chǎn)率高達(dá) 30%，遠(yuǎn)高于以前使用的材料。(c) 五種不同核/殼短波紅外量子點(diǎn)的光譜。(d) 轉(zhuǎn)移到水性緩沖液中后，發(fā)射光譜僅發(fā)生很小的變化。由麻省理工學(xué)院 Oliver T. Bruns 博士提供

為了展示這些量子點(diǎn)的一些關(guān)鍵功能，利用短波紅外成像測量清醒和不受約束的小鼠的心跳和呼吸頻率，并同時實時量化小鼠多個器官的脂蛋白周轉(zhuǎn)率。

研究人員還通過活體顯微鏡生成了詳細(xì)的腦血管系統(tǒng)三維定量流圖，可視化健康組織和大腦腫瘤之間的差異。這些新設(shè)計的短波紅外量子點(diǎn)使生物光學(xué)成像具有前所未有的深度穿透、高空間分辨率和快速采集速度的結(jié)合。

盡管麻省理工學(xué)院的研究人員在短期研究中沒有觀察到對小鼠的毒性作用，但他們承認(rèn)，其短波紅外量子點(diǎn)的化學(xué)成分可能禁止在人類中使用。然而，最近他們還發(fā)表了研究成果，展示了吲哚菁綠 (ICG)和其他已獲得臨床批準(zhǔn)或處于高級臨床試驗中的短波紅外生物成像物質(zhì)的適用性。

技術(shù)實現(xiàn)

Princeton Instruments 的NIRvana系列InGaAs FPA 相機(jī)與其他 InGaAs 相機(jī)不同，這些相機(jī)通常專為夜視應(yīng)用而設(shè)計，具有許多科學(xué)性能特征，包括深度冷卻、低暗噪聲、高線性度、低讀取噪聲、高幀速率、智能軟件以及對積分時間的精確控制。

首先也是最重要的是，免維護(hù)熱電冷卻可將NIRvana 640相機(jī)的 InGaAs 探測器冷卻至 -85°C。這種深度冷卻與專有的冷屏蔽設(shè)計和真空技術(shù)相結(jié)合，有助于盡可能降低暗噪聲，這有助于提高靈敏度，并在必要時保持長時間曝光的信噪比 (SNR)

NIRvana 640 相機(jī)的曝光時間短至 2 μs，最長可達(dá)幾分鐘。即使相機(jī)以每秒 110 個全幀的最大速率運(yùn)行，超低噪聲讀出電子器件也有助于確保良好的 SNR。此外，出色的相機(jī)線性度意味著它對于科學(xué)研究來說非常可靠。

得益于 Princeton Instruments 最新版本的 64 位LightField?數(shù)據(jù)采集軟件(可選)，對 NIRvana 相機(jī)的完全控制變得簡單。提供多種功能，可通過極其直觀的 LightField 用戶界面輕松捕獲和導(dǎo)出成像和光譜數(shù)據(jù)。內(nèi)置數(shù)學(xué)引擎可以實時分析收集到的數(shù)據(jù)。LightField 還允許將數(shù)據(jù)直接采集到LabVIEW? (National Instruments) 和 MATLAB? (MathWorks)中。

審核編輯 黃宇