活体近红外光学成像系统

IN VIVO OPTICAL IMAGING

1.1体内荧光成像系统

基本原理

1. 荧光探针通过尾静脉注射或者口服的方式进入小动物体内；

2. 激发光源照射小动物，荧光探针发出荧光；

3. 荧光经过滤光片和镜头进入检测器，信号给到电脑进行成像。

1.2体内荧光寿命成像系统

近红外荧光寿命成像系统

基本原理

1. 基于荧光成像系统，控制激光器与检测器的时间同步；

2. Labview编程，设置采集参数，进行数据采集；

3. 同时，在Labview软件上进行数据处理，得到寿命成像结果。

2. 光学和性能

检测器：InAsGa CCD，-55℃，-65℃，-85℃和-190 ℃四款相机可选。配有接口转接环，方便C口镜头切换。

2.1 高灵敏检测器 CCD参数

* 制冷温度低，则暗电流小灵敏度高，适合弱信号的采集

2.2 电脑自动化调焦和移动样品

相机镜头，激发光源和集成模块

1. 成像视野200mm * 200mm可调（购买的镜头）和20mm ~ 20mm可调（自制的镜头）；

2. 高透波段900nm ~ 1700 nm;

3. 激光器808nm，980nm及1064nm等波长功率可选；

4. 滤光片波长及尺寸可选;

5. 电控调焦及电控移动样品，便于操作；

6. 多光束集成装置，满足多光源激发和切换。

下图：不同荧光波段下，活体腿部血管的成像效果。

下图：双镜头切换使用，满足不同成像视野需求。激发光源便捷切换，电动调焦和移动样品。

2.3 样品处理装置

麻醉系统和温度调节装置

1. 提供气体麻醉装置，可持续长久的麻醉小动物，保持实验过程中小动物的相对静止；

2. 控温平台保证小动物（裸鼠等）体温正常，尽量减小实验室低温环境对实验数据的影响。

下图：配有麻醉装置、控温平台

2.4 多功能一体化数据采集和处理软件

1. 荧光成像用的是PI的LightFiled软件 ，可自动或手动获取图片；也可以制作成视频；图片可叠加强度，也可以取平均强度；可进行TTL调制；与Labview和Matlab等编程软件连接；

2. 荧光寿命成像用的是自主用编写的Labview工作界面。从采集的参数设置，到焦点调节，以及寿命成像的数据处理，阈值调整等，皆可实现。

3. 所有结果都可以后期用Matlab处理了。

下图：荧光成像使用LightFiled

下图：荧光寿命成像使用Labview

3. 基于荧光成像的研究案例

★应用案例 1近红外成像指导实验外科手术

利用该荧光成像系统和相应的近红外二区发射的荧光探针，实现对小鼠的近红外成像指导的实验外科手术。可识别并切除 <1 mm的肿瘤。

探针材料:NaGdF4:5%Nd@NaGdF4

激发光源：808 nm laser

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

下图：DCNPs稀土纳米颗粒表面修饰DNA和目标多肽，可在肿瘤位置持久停留（长达6h），对其进行光学成像，利于卵巢癌转移瘤切除的实验外科手术。

下图：对比于近红外一区发射的荧光探针（ICG），1060 nm发射的稀土纳米颗粒，具有高光学稳定性和深模拟组织穿透度。

★应用案例 2活体肠胃药物释放监控（科研实验）

利用该荧光成像系统和竞争吸收近红外发射荧光探针，实现对活体的肠胃药物释放过程的实时动态监控，并进行半定量的检测。

探针材料:NaGdF4:5%Nd@NaGdF4

激发光源：808 nm laser.

参考文献： Wang, R.; Zhou, L.; Wang, W.; Li, X.;Zhang, F., Nat. Commun. 2017, 8 (1), 1038.

下图：在pH大于等于8时， SSPI分散开来，染料及药物释放出来，730 nm激发载体，再次发射出1060 nm的荧光。根据荧光强度的恢复大小定量药物的释放量。808 nm激发用于跟踪药物。

下图：合成材料的电镜图设计微米尺寸载体：稀土纳米颗粒静电吸附于表面，介孔通道中载有连接药物的NPTAT染料。稀土颗粒可以被730 nm和808 nm激发产生1060 nm的荧光，染料在730 nm处也有吸收。由于染料具有很好的吸收截面，微米载体在730 nm激发下，无法产生1060 nm发射。载体表面有pH响应SSPI用于保护介孔通道中的染料不会释放出去。

★应用案例 3：活体炎症成像和检测实验

利用该荧光成像系统和炎症响应性的近红外二区探针，可以实现活体中活性氧物种的高信噪比成像和高准确性检测。

探针材料:NaGdF4:5%Nd@NaGdF4

激发光源：808 nm laser.

参考文献：Zhao, M.; Wang, R.; Li, B.; Fan, Y.;Wu, Y.; Zhu, X.; Zhang, F., Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 58, 2050-5054.

下图：DCNPs稀土纳米颗粒表面修饰生物内源性的物种GSH，GSH遇到活性氧之后，会发生偶联反应，诱发纳米颗粒聚集。达到点亮活性氧富集的部位。

下图：透射电镜表征单分散纳米颗粒在体外遇到活性氧，发生偶联反应，形成二硫键，导致颗粒聚集。

★应用案例 4：活体深组织成像监控心率

近红外二区成像得到高分辨率的血管成像；高的成像分辨率和深组织穿透