用于早期疾病检测的碳纳米管光学传感器的开发

介绍

纽约市纪念斯隆凯特琳癌症中心的主要研究领域之一是开发纳米级传感器以在早期阶段检测癌症。Daniel Heller 博士领导的研究小组使用具有独特光学特性的新型纳米材料，可以更轻松地识别体内疾病生物标志物，从而可以在症状出现之前进行检测。这些纳米技术还可以测量活细胞和组织内的重要分子，提供加速生物医学研究的新工具。

在光谱的近红外 (NIR)区域工作具有多种优势，例如能够避开不需要的荧光背景并更深入地探测样品表面。在过去几年中，采用砷化铟镓 (InGaAs) 焦平面阵列 (FPA) 的深冷相机的出现提高了各种近红外光谱和成像技术在低光科学应用中的实用性 。

当这种类型的科学相机与采用创新施密特-车尔尼特纳 (SCT) 设计的新型色散光谱仪配合使用时，对研究人员会更有帮助。高精度 SCT 光谱仪大大减少了光学像差，在整个焦平面上提供具有卓越空间分辨率的清晰图像，并使研究人员能够利用 FPA 传感器的完整二维来获取图像。

Heller 博士在纽约的研究小组已成功使用此类光色散和检测工具进行新颖的实验，研究光致发光(PL) 单壁碳纳米管 (SWCNT) 的特性，这最终可能导致新型光学探针的开发以及用于生物物理测量和生物医学应用的传感器[4-6]。本应用说明将介绍该小组工作的一些亮点以及先进 SCT 摄谱仪和深冷 InGaAs FPA 相机所发挥的不可或缺的作用。

实验设置示例

Heller 博士的研究小组近年来对单壁碳纳米管进行了多项 PL 光谱研究。本说明将重点介绍其中三项研究。

第一项研究于 2014 年报道，涉及用多种功能涂层(聚合物)封装单壁碳纳米管，这些功能涂层在碳纳米管上表现出有序的表面覆盖，并允许系统地调节纳米管光学特性 。在第二项研究中，研究人员利用半导体单壁碳纳米管的固有近红外发射来光学重建碳纳米管在三维体积内的定位，从而解决了两种不同多细胞肿瘤球体的相对渗透性[5]。最后，在第三项研究中，研究了单壁碳纳米管发射能量对溶液离子势的响应，并观察到纳米管对细胞表面静电势的响应由膜蛋白介导。

尽管每项单壁碳纳米管研究都需要实施不同的实验方案，但这三项研究都使用了下一代普林斯顿仪器IsoPlane®-320 摄谱仪和深冷普林斯顿仪器NIRvana® InGaAs FPA 相机来执行近红外光致发光光谱。例如，在研究 #3 中，研究人员将 IsoPlane 和 NIRvana 集成到他们自己的定制设备中，以实现活体真核细胞上纳米管的 PL 激发/发射光谱(见图 1)。

图 1：活细胞上纳米管近红外光致发光光谱的二维激发/发射装置示意图。图表由纽约纪念斯隆凯特琳癌症中心的 Daniel Heller 博士提供。首次发表于 D. Roxbury、PV Jena、Y. Shamay、CP Horoszko 和 DA Heller，“细胞膜蛋白通过表面电荷积累调节碳纳米管光学带隙”，ACS Nano 10, 499–506 (2016)。

当使用图 1 所示的实验装置研究 SWCNT 发射能量对溶液离子势的响应(研究 #3)时，使用与可变带通滤波器耦合的超连续谱光源来激发样品，以便将激发从 500 nm 调整到 827 nm带宽为 20 nm。光通过 50X 物镜注入倒置荧光显微镜。使用相同的物镜收集所得的 NIR 发射并将其引导至 IsoPlane 摄谱仪，该摄谱仪与 NIRvana 相机耦合(热电冷却 InGaAs 阵列：640 x 512 像素;像素尺寸：20 x 20 μm;量子效率：>85 % 在 0.9–1.7 μm 范围内)。

为了对研究 #3 进行激发/发射测量，激发从 500 nm 变化到 827 nm，步长为 3 nm。在每个激发波长下，曝光时间为 0.5–3.0 秒，使用刻划光栅(86 条槽/毫米)分散 930 至 1370 nm 的发射光。对激发功率(在样品上测量的 5-30 mW)以及光栅和检测器效率的波长相关变化进行了校正。该系统自动用 109 个不同的激发带照射样品，并收集溶液中或与细胞单层接触的碳纳米管的光谱，在 0.5-5 分钟内生成完整的光致发光图。

数据与结果

研究#1(聚合物涂层单壁碳纳米管)：在本研究中，利用无像散 IsoPlane 摄谱仪和深冷 InGaAs 相机对聚碳二亚胺−单壁碳纳米管进行 PL 激发/发射测量。激发波长在 491 至 824 nm 之间变化，发射波长在 915 至 1354 nm 之间变化(见图 2)。

图 2：聚碳二亚胺−SWCNT 在 659 nm 处激发的近红外发射光谱(上);

从聚碳二亚胺-SWCNT 和表面活性剂悬浮的 SWCNT 的光致发光激发/发射曲线中收集的纳米管发射峰的中心波长。数据由纽约纪念斯隆凯特琳癌症中心的 Daniel Heller 博士提供。首次发表于 J. Budhathoki-Uprety、PV Jena、D. Roxbury 和 DA Heller，“碳纳米管的螺旋聚碳二亚胺隐形能够实现纳米管间激子能量转移调制”，J. Am。化学。苏克。136(44)，15545–15550(2014)。

研究人员报道了通过封装在螺旋聚碳二亚胺中对单壁碳纳米管进行非共价官能化，形成水溶性、分散良好的聚合物-纳米管复合物，具有近红外发射功能，在环境条件下稳定。该聚合物促进了纳米管荧光的强度调制，并实现了单独封装的纳米管之间的纳米管间激子能量转移。这是由于封装聚合物之间的库仑吸引力而在纳米管之间自发产生激子能量转移的第一个实例，并且它表现出定向可逆性。这一发现预示着动态过程的测量以及可切换分子探针和传感器的潜在机制。

研究#2(肿瘤渗透性)：这里，利用单壁碳纳米管固有的近红外荧光来研究多细胞肿瘤球体的渗透性。Teledyne Princeton Instruments IsoPlane 摄谱仪和 InGaAs 相机用于对表面活性剂-脱氧胆酸钠-SWCNT 进行激发/发射测量(见图 3)。

图 3：每个纳米管手性标记的光致发光激发/发射图。用 730 nm 激发照射的样品的发射光。数据由纽约纪念斯隆凯特琳癌症中心的 Daniel Heller 博士提供。首次发表于 PV Jena、Y. Shamay、J. Shah、D. Roxbury、N. Paknejad 和 DA Heller，“光致发光碳纳米管询问多细胞肿瘤球体的渗透性”，Carbon 97, 99–109 (2016)。

该研究小组报告开发了小鼠肝癌细胞的肿瘤球体模型。将这些肿瘤球体与在低粘附条件下形成球体的乳腺癌细胞系进行比较。活细胞中的宽场近红外荧光显微镜在空间上解析了与多细胞肿瘤球体相关的纳米管的位置。研究人员发现，纳米管在一种类型的球体(肝癌)中几乎没有渗透，但渗透到另一种球体(乳腺癌)的中心。因此，该小组有效地提出了使用近红外荧光单壁碳纳米管作为一种经过验证的定性方法来询问活肿瘤球体的渗透性。

研究#3(活细胞膜)：在这项研究中，利用摄谱仪和 InGaAs 相机对与活细胞膜相关的 SWCNT 进行激发/发射光谱分析(见图 4)。正如“实验设置示例”部分中提到的，激发波长从 500 nm 变化到 827 nm，步长为 3 nm。在每个激发波长下，曝光时间为 0.5-3.0 秒，930 至 1370 nm 的发射使用具有 86 个凹槽/毫米的刻划光栅进行色散。

图 4：活 HeLa 细胞膜上纳米管的光致发光二维激发/发射图。数据由纽约纪念斯隆凯特琳癌症中心的 Daniel Heller 博士提供。首次发表于 D. Roxbury、PV Jena、Y. Shamay、CP Horoszko 和 DA Heller，“细胞膜蛋白通过表面电荷积累调节碳纳米管光学带隙”，ACS Nano 10, 499–506 (2016)。

研究人员发现，纳米管光子发射能量对细胞表面蛋白介导的电荷积累作出反应，并且纳米管光子发射能量与细胞粘附到基质的程度以及全细胞 zeta 电位相关。他们断言，通过将离子电荷引入纳米管的局部环境，可以在体外重现细胞表面的光致发光反应。研究小组还提出了一种通过电荷密度调制纳米管光致发光的机制在活细胞表面。这项研究表明，纳米管光学带隙调制可以通过纳米管表面上的离子或聚电解质电荷积累来介导。这些发现预示着一种纳米级工具，可用于生物医学应用中活细胞膜上静电电荷积累的光学定量。

使能技术

上述研究依赖于 Teledyne Princeton Instruments 屡获殊荣的IsoPlane-320 摄谱仪(见图 5)。这种高精度仪器独特的光学设计完全消除了所有波长和焦平面上所有点的场像散。昏迷降低到可以忽略不计的水平。光学像差的减少可显着提高信噪比 (SNR) 和卓越的图像质量。IsoPlane 摄谱仪具有 320 或 160 毫米焦距和三位同轴光栅转塔。

图 5：Teledyne Princeton Instruments IsoPlane-320 摄谱仪

除了 IsoPlane-320 摄谱仪之外，Heller 博士的团队还利用 Princeton Instruments 的近红外敏感 InGaAs FPA 相机来进行本文重点介绍的研究。这款相机NIRvana:640(见图 6)通过许多科学性能特点与其他 InGaAs 相机区分开来，包括深度冷却、低暗噪声、高线性度、低读取噪声、高帧速率、智能软件和精确控制积分时间。

图 6：Teledyne Princeton Instruments NIRvana 640 InGaAs 相机

首先也是最重要的是，可以采用免维护热电冷却或液氮将 NIRvana 的二维 640 x 512 InGaAs FPA 探测器分别冷却至 -85°C 或 -190°C。专有的冷屏蔽设计和真空技术有助于尽可能降低暗噪声，这有助于提高灵敏度并在长时间曝光时保持信噪比。

热电冷却 NIRvana 相机的曝光时间为 2 微秒至数分钟，而液氮冷却 NIRvana 相机的曝光时间范围为 100 微秒至 1 小时。超低噪声读出电子器件有助于确保良好的信噪比，即使相机以其最大全帧读出速率运行(即，热电冷却 NIRvana 为 110 全帧每秒;液氮冷却 NIRvana 为 2.77 全帧每秒)。出色的系统线性意味着每台 NIRvana 相机对于科学研究来说都高度可靠。

此外，Princeton Instruments 的 64 位LightField®数据采集软件(作为选件提供)提供了功能强大且易于使用的界面，使研究人员能够轻松实现实时在线处理功能。NIRvana 相机可以使用可用的National Instruments LabVIEW®工具包集成到更大的实验中。提供全面的触发支持以与外部设备同步。

审核编辑 黄宇