SWIR量子点活体成像技术

图1 SWIR量子点用于下一代活体光学成像

为了了解生理和疾病中涉及的分子和细胞机制，生物医学领域的研究越来越多地以在体内非侵入性成像为主。然而，当对整个生物进行成像时，仍然存在一些会降低荧光成像灵敏度、采集速度和空间分辨率的生物障碍，如组织或细胞的自身荧光会增加背景信号，降低对比度，从而降低灵敏度;血液和其他组织对激发和发射光的吸收和散射，会限制信号检测和影响采集速度;散射会限制作为深度函数的空间分辨率，使获得的图像模糊。

短波红外区域成像(SWIR;1000 – 2000nm)可同时解决所有这些挑战，生物组织在SWIR区域的最小自荧光会增加灵敏度，而由血液和其他结构散射和吸收造成的光衰减也显著减少，使成像具有高时空分辨率和穿透深度。然而，由于缺少多功能和功能性SWIR发光材料，使生物医学研究普遍采用SWIR成像技术受阻。

基于此，美国麻省理工Oliver T. Bruns课题组介绍了一种高质量SWIR发光的基于InAs的 Core–Shell (CS)和 Core–Shell–Shell (CSS)量子点(Quantum Dots, QDs)材料，它们可以很容易地为各种功能成像应用进行修改，其发射范围大小可调，并且比先前的SWIR探针具有更高的发射量子效率。

为了展示这种SWIR量子点前所未有的穿透深、空间分辨率高、多色成像和快速采集等优点， 该课题组展示了三种不同的表面涂层，如图1，以此量化小鼠体内几个器官同时和实时的脂蛋白代谢更替率，以及清醒和不受约束动物的心跳和呼吸率，并生成小鼠大脑血管系统详细的三维定量血流图。

图2 SWIR量子点发射光谱

如图1所示，该课题组以InAs作为起始材料，覆盖由更高带隙材料组成的壳层，产生各种宽吸收、明亮且稳定发光的InAs CS (InAs - CdSe和InAs - CdS)和CSS (InAs - CdSe - CdS和InAs - CdSe - ZnSe)量子点。这些量子点发射光谱如图2。

图3 在麻醉和清醒小鼠中使用QD磷脂胶束的SWIR成像以及监测的心率和呼吸频率

SWIR QD磷脂胶束允许长时间的血液循环，从而实现血管造影和相关应用，如能够评估和定量镇静和清醒小鼠的心率和呼吸，图3中展示了在麻醉和清醒小鼠中使用QD磷脂胶束的SWIR成像以及监测的心率和呼吸频率。

图4 SWIR QD纳米粒代谢成像

将量子点整合到脂蛋白(SWIR量子点纳米粒)中，可以实时成像激活组织和器官的能量代谢，如图4。

图5 QD复合粒子的活体成像

此外，这些SWIR QD复合粒子使我们能够通过在活体显微镜中跟踪单个复合颗粒来量化大脑血管中的血流，这允许可视化健康血管和肿瘤边缘血管中血流的显著差异，具有足够的空间和时间分辨率来测量单个毛细血管的流量。

其中，为了探测CS 和CSS QDs的900nm-1300nm波段的发射光谱，该课题组采用了普林斯顿仪器液氮制冷线性InGaAs OMA V(现PyLoN IR)相机和SP300i(现HRS300)光谱仪进行采集探测。

 

该课题组采用普林斯顿仪器的NIRvana相机与多种滤波片结合采集上图3和图4中的宏观的SWIR图像，还通过将NIRvana连接到显微镜的侧出口采集图5中的微观上的活体SWIR图像。

审核编辑 黄宇