深冷InGaAs FPA相机可实现短波红外发射量子点高速分辨率体内成像

概述

在光谱的短波红外 (SWIR) 区域工作为研究人员提供了多种优势，包括能够避开不需要的荧光背景以及更深入地探测样品表面。采用砷化镓 (InGaAs) 焦平面阵列 (FPA) 的深冷相机系统的出现进一步提高了各种短波红外成像和光谱技术在低光科学和工业应用中的实用性 。

最近，麻省理工学院 (MIT) 的研究人员公布了一项研究结果，他们利用市售的最先进的深冷 InGaAs FPA 相机技术(见图 1)来评估新型 InAs 短波红外量子点。在首席研究员Moungi G. Bawendi 博士的支持下，主要作者 Oliver T. Bruns 博士和 Thomas S. Bischof 博士证明，这些新型短波红外发射核/壳量子点 (QD) 为未来的发展带来了巨大希望。体内短波红外成像的产生。

图 1：Princeton Instruments 的 NIRvana® 科学相机配备热电冷却 InGaAs 探测器，每秒可提供高达 110 个全帧。

Bawendi博士的实验室位于该大学化学系，专注于纳米晶体，特别是半导体纳米晶体(即量子点)的基础科学和前沿应用。该实验室与许多生物学和医学团体合作，设计能够应对特定挑战的纳米晶体探针，包括用作体内分子成像剂。

本应用说明将总结实验室使用 Princeton Instruments NIRvana 科学相机对作为体内成像剂的新型 InAs 基短波红外发射量子点进行上述评估。

宏观和微观短波红外成像

为了通过皮肤和头骨对受试者(即小鼠)大脑的脉管系统进行宏观成像，麻省理工学院的研究人员建立了一个定制的实验装置，将通过各种滤光片发出的光引导到配备各种 C 接口镜头的NIRvana相机。为了消除多余的光线，同时能够在操作过程中操纵视野，整个宏观成像组件被部分外壳包围。

使用连接到倒置显微镜侧端口的NIRvana 相机以及 10 倍或 2 倍物镜进行显微成像。使用光纤耦合 808 nm 激光二极管进行照明，并使用散斑去除器。二向色滤光片将激发光引导至样品。然后 1000 nm 长通滤光片选择发射光将相机的InGaAs阵列冷却至-80°C以进行显微成像，模数转换速率设置为10 MHz，增益设置为高。使用不同的曝光时间会导致不同的帧速率。

数据与结果

麻省理工学院的研究人员呼吁人们注意这样一个事实：尽管血液和组织的光吸收水平较低、散射减少以及普遍缺乏自发荧光可以使小鼠在短波红外区域成像时呈半透明状态，但仍然需要一个多功能发射器平台阻碍了生物医学研究界广泛采用体内短波红外成像。然而，他们的新型 InAs 核/壳量子点(见图 2)表现出比之前描述的 SWIR 探针高得多的发射量子产率(QY)，以及窄且尺寸可调的发射，允许在 SWIR 中进行复用地区。

图 2：(a) 核/壳短波红外量子点示意图。(b) 核/壳 SWIR 量子点在水缓冲液中的量子产率高达 30%，远高于以前使用的材料。(c) 五种不同核/壳短波红外量子点的光谱。(d) 转移到水性缓冲液中后，发射光谱仅发生很小的变化。由麻省理工学院 Oliver T. Bruns 博士提供

为了展示这些量子点的一些关键功能，利用短波红外成像测量清醒和不受约束的小鼠的心跳和呼吸频率，并同时实时量化小鼠多个器官的脂蛋白周转率。

研究人员还通过活体显微镜生成了详细的脑血管系统三维定量流图，可视化健康组织和大脑肿瘤之间的差异。这些新设计的短波红外量子点使生物光学成像具有前所未有的深度穿透、高空间分辨率和快速采集速度的结合。

尽管麻省理工学院的研究人员在短期研究中没有观察到对小鼠的毒性作用，但他们承认，其短波红外量子点的化学成分可能禁止在人类中使用。然而，最近他们还发表了研究成果，展示了吲哚菁绿 (ICG)和其他已获得临床批准或处于高级临床试验中的短波红外生物成像物质的适用性。

技术实现

Princeton Instruments 的NIRvana系列InGaAs FPA 相机与其他 InGaAs 相机不同，这些相机通常专为夜视应用而设计，具有许多科学性能特征，包括深度冷却、低暗噪声、高线性度、低读取噪声、高帧速率、智能软件以及对积分时间的精确控制。

首先也是最重要的是，免维护热电冷却可将NIRvana 640相机的 InGaAs 探测器冷却至 -85°C。这种深度冷却与专有的冷屏蔽设计和真空技术相结合，有助于尽可能降低暗噪声，这有助于提高灵敏度，并在必要时保持长时间曝光的信噪比 (SNR)

NIRvana 640 相机的曝光时间短至 2 μs，最长可达几分钟。即使相机以每秒 110 个全帧的最大速率运行，超低噪声读出电子器件也有助于确保良好的 SNR。此外，出色的相机线性度意味着它对于科学研究来说非常可靠。

得益于 Princeton Instruments 最新版本的 64 位LightField®数据采集软件(可选)，对 NIRvana 相机的完全控制变得简单。提供多种功能，可通过极其直观的 LightField 用户界面轻松捕获和导出成像和光谱数据。内置数学引擎可以实时分析收集到的数据。LightField 还允许将数据直接采集到LabVIEW® (National Instruments) 和 MATLAB® (MathWorks)中。

审核编辑 黄宇