深冷InGaAs FPA相機可實現(xiàn)短波紅外發(fā)射量子點高速分辨率體內成像

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) 的深冷相機系統(tǒng)的出現(xiàn)進一步提高了各種短波紅外成像和光譜技術在低光科學和工業(yè)應用中的實用性 。

最近，麻省理工學院 (MIT) 的研究人員公布了一項研究結果，他們利用市售的最先進的深冷 InGaAs FPA 相機技術(見圖 1)來評估新型 InAs 短波紅外量子點。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 (QD) 為未來的發(fā)展帶來了巨大希望。體內短波紅外成像的產(chǎn)生。

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

Bawendi博士的實驗室位于該大學化學系，專注于納米晶體，特別是半導體納米晶體(即量子點)的基礎科學和前沿應用。該實驗室與許多生物學和醫(yī)學團體合作，設計能夠應對特定挑戰(zhàn)的納米晶體探針，包括用作體內分子成像劑。

本應用說明將總結實驗室使用 Princeton Instruments NIRvana 科學相機對作為體內成像劑的新型 InAs 基短波紅外發(fā)射量子點進行上述評估。

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)進行宏觀成像，麻省理工學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)出的光引導到配備各種 C 接口鏡頭的NIRvana相機。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端口的NIRvana 相機以及 10 倍或 2 倍物鏡進行顯微成像。使用光纖耦合 808 nm 激光二極管進行照明，并使用散斑去除器。二向色濾光片將激發(fā)光引導至樣品。然后 1000 nm 長通濾光片選擇發(fā)射光將相機的InGaAs陣列冷卻至-80°C以進行顯微成像，模數(shù)轉換速率設置為10 MHz，增益設置為高。使用不同的曝光時間會導致不同的幀速率。

數(shù)據(jù)與結果

麻省理工學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)學研究界廣泛采用體內短波紅外成像。然而，他們的新型 InAs 核/殼量子點(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)，以及窄且尺寸可調的發(fā)射，允許在 SWIR 中進行復用地區(qū)。

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

為了展示這些量子點的一些關鍵功能，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率。

研究人員還通過活體顯微鏡生成了詳細的腦血管系統(tǒng)三維定量流圖，可視化健康組織和大腦腫瘤之間的差異。這些新設計的短波紅外量子點使生物光學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合。

盡管麻省理工學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，其短波紅外量子點的化學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或處于高級臨床試驗中的短波紅外生物成像物質的適用性。

技術實現(xiàn)

Princeton Instruments 的NIRvana系列InGaAs FPA 相機與其他 InGaAs 相機不同，這些相機通常專為夜視應用而設計，具有許多科學性能特征，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，免維護熱電冷卻可將NIRvana 640相機的 InGaAs 探測器冷卻至 -85°C。這種深度冷卻與專有的冷屏蔽設計和真空技術相結合，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 相機的曝光時間短至 2 μs，最長可達幾分鐘。即使相機以每秒 110 個全幀的最大速率運行，超低噪聲讀出電子器件也有助于確保良好的 SNR。此外，出色的相機線性度意味著它對于科學研究來說非常可靠。

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出成像和光譜數(shù)據(jù)。內置數(shù)學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