SWIR量子點活體成像技術

圖1 SWIR量子點用于下一代活體光學成像

為了了解生理和疾病中涉及的分子和細胞機制，生物醫學領域的研究越來越多地以在體內非侵入性成像為主。然而，當對整個生物進行成像時，仍然存在一些會降低熒光成像靈敏度、采集速度和空間分辨率的生物障礙，如組織或細胞的自身熒光會增加背景信號，降低對比度，從而降低靈敏度;血液和其他組織對激發和發射光的吸收和散射，會限制信號檢測和影響采集速度;散射會限制作為深度函數的空間分辨率，使獲得的圖像模糊。

短波紅外區域成像(SWIR;1000 – 2000nm)可同時解決所有這些挑戰，生物組織在SWIR區域的最小自熒光會增加靈敏度，而由血液和其他結構散射和吸收造成的光衰減也顯著減少，使成像具有高時空分辨率和穿透深度。然而，由于缺少多功能和功能性SWIR發光材料，使生物醫學研究普遍采用SWIR成像技術受阻。

基于此，美國麻省理工Oliver T. Bruns課題組介紹了一種高質量SWIR發光的基于InAs的 Core–Shell (CS)和 Core–Shell–Shell (CSS)量子點(Quantum Dots, QDs)材料，它們可以很容易地為各種功能成像應用進行修改，其發射范圍大小可調，并且比先前的SWIR探針具有更高的發射量子效率。

為了展示這種SWIR量子點前所未有的穿透深、空間分辨率高、多色成像和快速采集等優點， 該課題組展示了三種不同的表面涂層，如圖1，以此量化小鼠體內幾個器官同時和實時的脂蛋白代謝更替率，以及清醒和不受約束動物的心跳和呼吸率，并生成小鼠大腦血管系統詳細的三維定量血流圖。

圖2 SWIR量子點發射光譜

如圖1所示，該課題組以InAs作為起始材料，覆蓋由更高帶隙材料組成的殼層，產生各種寬吸收、明亮且穩定發光的InAs CS (InAs - CdSe和InAs - CdS)和CSS (InAs - CdSe - CdS和InAs - CdSe - ZnSe)量子點。這些量子點發射光譜如圖2。

圖3 在麻醉和清醒小鼠中使用QD磷脂膠束的SWIR成像以及監測的心率和呼吸頻率

SWIR QD磷脂膠束允許長時間的血液循環，從而實現血管造影和相關應用，如能夠評估和定量鎮靜和清醒小鼠的心率和呼吸，圖3中展示了在麻醉和清醒小鼠中使用QD磷脂膠束的SWIR成像以及監測的心率和呼吸頻率。

圖4 SWIR QD納米粒代謝成像

將量子點整合到脂蛋白(SWIR量子點納米粒)中，可以實時成像激活組織和器官的能量代謝，如圖4。

圖5 QD復合粒子的活體成像

此外，這些SWIR QD復合粒子使我們能夠通過在活體顯微鏡中跟蹤單個復合顆粒來量化大腦血管中的血流，這允許可視化健康血管和腫瘤邊緣血管中血流的顯著差異，具有足夠的空間和時間分辨率來測量單個毛細血管的流量。

其中，為了探測CS 和CSS QDs的900nm-1300nm波段的發射光譜，該課題組采用了普林斯頓儀器液氮制冷線性InGaAs OMA V(現PyLoN IR)相機和SP300i(現HRS300)光譜儀進行采集探測。

該課題組采用普林斯頓儀器的NIRvana相機與多種濾波片結合采集上圖3和圖4中的宏觀的SWIR圖像，還通過將NIRvana連接到顯微鏡的側出口采集圖5中的微觀上的活體SWIR圖像。

審核編輯 黃宇