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活體近紅外光學(xué)成像系統(tǒng)

IN VIVO OPTICAL IMAGING

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1.1體內(nèi)熒光成像系統(tǒng)

基本原理

1. 熒光探針通過尾靜脈注射或者口服的方式進(jìn)入小動物體內(nèi)；

2. 激發(fā)光源照射小動物，熒光探針發(fā)出熒光；

3. 熒光經(jīng)過濾光片和鏡頭進(jìn)入檢測器，信號給到電腦進(jìn)行成像。

1.2體內(nèi)熒光壽命成像系統(tǒng)

近紅外熒光壽命成像系統(tǒng)

基本原理

1. 基于熒光成像系統(tǒng)，控制激光器與檢測器的時間同步；

2. Labview編程，設(shè)置采集參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

3. 同時，在Labview軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到壽命成像結(jié)果。

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2. 光學(xué)和性能

檢測器：InAsGa CCD，-55℃，-65℃，-85℃和-190 ℃四款相機可選。配有接口轉(zhuǎn)接環(huán)，方便C口鏡頭切換。

2.1 高靈敏檢測器 CCD參數(shù)

* 制冷溫度低，則暗電流小靈敏度高，適合弱信號的采集

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2.2 電腦自動化調(diào)焦和移動樣品

相機鏡頭，激發(fā)光源和集成模塊

1. 成像視野200mm * 200mm可調(diào)（購買的鏡頭）和20mm ~ 20mm可調(diào)（自制的鏡頭）；

2. 高透波段900nm ~ 1700 nm;

3. 激光器808nm，980nm及1064nm等波長功率可選；

4. 濾光片波長及尺寸可選;

5. 電控調(diào)焦及電控移動樣品，便于操作；

6. 多光束集成裝置，滿足多光源激發(fā)和切換。

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下圖：不同熒光波段下，活體腿部血管的成像效果。

下圖：雙鏡頭切換使用，滿足不同成像視野需求。激發(fā)光源便捷切換，電動調(diào)焦和移動樣品。

2.3 樣品處理裝置

麻醉系統(tǒng)和溫度調(diào)節(jié)裝置

1. 提供氣體麻醉裝置，可持續(xù)長久的麻醉小動物，保持實驗過程中小動物的相對靜止；

2. 控溫平臺保證小動物（裸鼠等）體溫正常，盡量減小實驗室低溫環(huán)境對實驗數(shù)據(jù)的影響。

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下圖：配有麻醉裝置、控溫平臺

2.4 多功能一體化數(shù)據(jù)采集和處理軟件

1. 熒光成像用的是PI的LightFiled軟件 ，可自動或手動獲取圖片；也可以制作成視頻；圖片可疊加強度，也可以取平均強度；可進(jìn)行TTL調(diào)制；與Labview和Matlab等編程軟件連接；

2. 熒光壽命成像用的是自主用編寫的Labview工作界面。從采集的參數(shù)設(shè)置，到焦點調(diào)節(jié)，以及壽命成像的數(shù)據(jù)處理，閾值調(diào)整等，皆可實現(xiàn)。

3. 所有結(jié)果都可以后期用Matlab處理了。

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下圖：熒光成像使用LightFiled

下圖：熒光壽命成像使用Labview

3. 基于熒光成像的研究案例

★應(yīng)用案例 1近紅外成像指導(dǎo)實驗外科手術(shù)

利用該熒光成像系統(tǒng)和相應(yīng)的近紅外二區(qū)發(fā)射的熒光探針，實現(xiàn)對小鼠的近紅外成像指導(dǎo)的實驗外科手術(shù)。可識別并切除 <1 mm的腫瘤。

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探針材料:NaGdF4:5%Nd@NaGdF4

激發(fā)光源：808 nm laser

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參考文獻(xiàn)：Wang, P.; Fan, Y.; Lu, L.; Liu, L.;Fan, L.; Zhao, M.; Xie, Y.; Xu, C.; Zhang, F.,?Nat. Commun.?2018,9?(1), 2898.

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下圖：DCNPs稀土納米顆粒表面修飾DNA和目標(biāo)多肽，可在腫瘤位置持久停留（長達(dá)6h），對其進(jìn)行光學(xué)成像，利于卵巢癌轉(zhuǎn)移瘤切除的實驗外科手術(shù)。

下圖：對比于近紅外一區(qū)發(fā)射的熒光探針（ICG），1060 nm發(fā)射的稀土納米顆粒，具有高光學(xué)穩(wěn)定性和深模擬組織穿透度。

★應(yīng)用案例 2活體腸胃藥物釋放監(jiān)控（科研實驗）

利用該熒光成像系統(tǒng)和競爭吸收近紅外發(fā)射熒光探針，實現(xiàn)對活體的腸胃藥物釋放過程的實時動態(tài)監(jiān)控，并進(jìn)行半定量的檢測。

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探針材料:NaGdF4:5%Nd@NaGdF4

激發(fā)光源：808 nm laser.

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參考文獻(xiàn)： Wang, R.; Zhou, L.; Wang, W.; Li, X.;Zhang, F.,?Nat. Commun.?2017,?8?(1), 1038.

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下圖：在pH大于等于8時， SSPI分散開來，染料及藥物釋放出來，730 nm激發(fā)載體，再次發(fā)射出1060 nm的熒光。根據(jù)熒光強度的恢復(fù)大小定量藥物的釋放量。808 nm激發(fā)用于跟蹤藥物。

下圖：合成材料的電鏡圖設(shè)計微米尺寸載體：稀土納米顆粒靜電吸附于表面，介孔通道中載有連接藥物的NPTAT染料。稀土顆粒可以被730 nm和808 nm激發(fā)產(chǎn)生1060 nm的熒光，染料在730 nm處也有吸收。由于染料具有很好的吸收截面，微米載體在730 nm激發(fā)下，無法產(chǎn)生1060 nm發(fā)射。載體表面有pH響應(yīng)SSPI用于保護(hù)介孔通道中的染料不會釋放出去。

★應(yīng)用案例 3：活體炎癥成像和檢測實驗

利用該熒光成像系統(tǒng)和炎癥響應(yīng)性的近紅外二區(qū)探針，可以實現(xiàn)活體中活性氧物種的高信噪比成像和高準(zhǔn)確性檢測。

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探針材料:NaGdF4:5%Nd@NaGdF4

激發(fā)光源：808 nm laser.

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參考文獻(xiàn)：Zhao, M.; Wang, R.; Li, B.; Fan, Y.;Wu, Y.; Zhu, X.; Zhang, F.,?Angew. Chem. Int. Ed.?2018, 58, 2050-5054.

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下圖：DCNPs稀土納米顆粒表面修飾生物內(nèi)源性的物種GSH，GSH遇到活性氧之后，會發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，誘發(fā)納米顆粒聚集。達(dá)到點亮活性氧富集的部位。

下圖：透射電鏡表征單分散納米顆粒在體外遇到活性氧，發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，形成二硫鍵，導(dǎo)致顆粒聚集。

★應(yīng)用案例 4：活體深組織成像監(jiān)控心率

近紅外二區(qū)成像得到高分辨率的血管成像；高的成像分辨率和深組織穿透