“使用材料如SWNTs，稀土掺杂荧光体和量子点与深冷科学的InGaAs相机相结合，对于NIR-II / SWIR系列的体内光学成像应用的未来具有巨大的前景。”

介绍

几十年来，x射线和紫外 - 可见光检测方法已被广泛应用于各种科学，军事和医疗领域。尽管这些系统通常被用于很好的成功，但是当用于这种类型的工作时，这些系统仍然具有一些限制。

例如，由于需要紧凑的高功率X射线管以及缺乏系统便携性，因此，有效地利用由X射线提供的良好的样品渗透可以证明在现场的人员是困难的。或者，使用硅基CCD技术可以很容易地检测UV和可见波长，但由于光的反射和散射，不能透过样品。

CCD摄像机可以检测750到1060 nm之间的NIR-I波长，这样可以很好地渗透到样品中，但高于该阈值，硅本身对光是透明的。因此，这种CCD相机系统在军事（例如监视），药物发现和商业（例如检查）应用中的用途有限。

NIR-II窗口/短波长红外（SWIR）范围延伸到1700 nm，实现了更深的穿透。受SWIR敏感发展的刺激InGaAs和InSb探测器开辟了科学，军事和医疗应用的新世界。不幸的是，早期的NIR-II / SWIR检测系统在科学研究方面仍然具有关键的局限性。与摄像机系统线性度，噪声性能和与外部设备同步相关的低效率以及缺乏足够的灵活性来控制曝光时间都是关键障碍。

本应用笔记将讨论新开发的深冷科学InGaAs相机（见图1），除了其他先进的研究应用之外，它还促进了用于临床前研究的小动物成像的前沿方法。

图1 普林斯顿仪器公司的NIRvana®科学相机具有热电冷却的InGaAs检测器，可以以每秒110帧的速度运行。

小动物成像SWIR

图2显示了NIR-I和NIR-II / SWIR在分辨率和穿透深度方面的差异。请注意，NIR-I波长散射，导致“模糊”图像。相比之下，NIR-II / SWIR的较长波长不会散射，产生“更清晰”的图像。

图2NIR-I与NIR-II / SWIR：分辨率和穿透深度

图片和图表由斯坦福大学的Dominik J. Naczynski博士提供，改编自Lim, Y.T. et al. Mol Imaging. (2003) 2, 50.

近年来，世界各地的研究团队一直在开发不同的药物^1-7，以便在小动物成像中用于临床前研究的NIR-II / SWIR窗口，其最终目标是在人类患者中进行早期疾病检测。这些方法中的大多数基于三个主要技术之一：单壁碳纳米管（SWNT），稀土掺杂荧光体或量子点。

SWNTs是三种方法中最成熟的，在NIR-II / SWIR范围内表现出良好的辐射率，可以聚乙二醇化以减少毒性^1,2。低毒，稀土掺杂的荧光体也显示出巨大的前景，提供可调谐到不同波长的排放，取决于纳米颗粒未掺杂的壳体3的尺寸。类似地，量子点已经显示出通过粒度可调的低毒性和优异的发射率。 （本应用笔记重点介绍SWNT方法。）

每种方法都使用类似的实验装置，其主要元件是NIR-I照明，样本（例如鼠标）和用于检测在〜1100〜〜1650nm的波长范围内的发射光的照相机系统。参见图3。

图3吸收图，由斯坦福大学的Dominik J. Naczynski博士提供，改编自Smith, A.M. et al. Nat Nanotechnol. (2009) 4, 710.

实验结果

斯坦福大学的Hongjie Dai教授已经对小鼠血管进行了NIR-I以及NIR-II / SWIR荧光成像^1,2。 生物相容的SWNT-IRDye-800缀合物用作双色显像剂，其中IRDye-800是商业NIR-I荧光团，高压一氧化碳转化SWNT通过生物相容性表面活性剂稳定悬浮¹。 实验原理图和光谱见图4。

图4（a）当通过785nm激光激发时，SWNT-IRDye-800共轭体从IRDye-800染料在约800nm（NIR-I区域）和从1100和1400nm（NIR-II区域）之间发射SWNT主干。

（b）SWNT-IRDye-800缀合物（黑色虚线）的吸收光谱，IRDye-800染料的发光光谱（绿线）和SWNT的发射光谱（红线）。

（c）分别使用硅和InGaAs相机同时检测NIR-I和NIR-II / SWIR光子的成像设置。可变焦镜头组用于可调放大倍数。

 示意图1和光谱1由斯坦福大学的Hongjie Dai教授提供。

图5示出了通过图4c所示的实验装置获得的NIR-I和NIR-II / SWIR图像。 使用科学的基于硅的CCD照相机获得图5a所示的NIR-I图像。 使用科学的InGaAs相机获得图5b所示的NIR-II / SWIR图像。 在使用IRDye-800荧光的NIR-1区域中获得的所有图像在小鼠内显示不清楚的血管解剖; 然而，在NIR-II / SWIR窗口中检测SWNT荧光提供了在所有放大倍数下相同小鼠血管的空间分辨率的显着提高。¹

图5（a）沿着注射SWNT-1的小鼠的红色虚线的NIR-1荧光图像（顶部）和横截面荧光强度分布（底部）IRDye-800共轭物。

（b）用SWNT-IRDye-800缀合物注射的小鼠的红色虚线的NIR-II / SWIR荧光图像（顶部）和横截面荧光强度分布（底部）。

（ 红色虚线表示高斯拟合到轮廓）

数据1由斯坦福大学的Hongjie Dai教授提供。

新技术

普林斯顿仪器公司的NIRvana®系列InGaAs摄像机通过一系列科学性能特性与其他通常用于夜视应用的InGaAs摄像机区别开来，包括深冷，低噪声，高线性度，低噪声，低噪声 帧速率，智能软件以及对集成时间的精确控制。

首先，免维护的热电冷却（非液氮）使NIRvana相机的InGaAs探测器低至-85°C。这种深度冷却结合了专有的冷屏设计和真空技术，以促进最低可能的暗噪声，这有助于提高灵敏度以及保持长时间曝光时间的信噪比（SNR）。

NIRvana相机具有短达2μs，最长可达几分钟的功能。超低噪声读数电路有助于确保良好的信噪比，即使相机以每秒110帧的最大速率运行。此外，优秀的相机线性意味着NIRvana对于科学研究是高度可靠的。

普林斯顿仪器公司的64位LightField®软件作为选件提供了一个功能强大但易于使用的界面，可以将研究人员的指尖实时在线处理功能。 NIRvana相机也可以使用可用的National InstrumentsLabVIEW®工具包集成到更大的实验中。提供完全触发支持，可与外部设备同步。

概要

用于疾病筛查和图像引导手术干预的体内光学成像的延伸需要明亮的发光，通过活组织光学透射的组织特异性材料，并且可以用实时显示数据的便携式系统进行成像³。世界各地的许多研究团队的工作已经开始证明，与NIR-I区域1-7中的荧光成像相比，NIR-II / SWIR范围内的荧光成像可以提供明显更大的体内灵敏度^1-7。

使用诸如SWNTs，稀土掺杂荧光体和量子点的材料与深度冷却的科学InGaAs相机一起使用，如新的普林斯顿仪器公司的对NIR-II / SWIR系列的体内光学成像应用的未来有很大的希望。

参考文献

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文章来源Princeton Instruments