Sistema de microimagem co-focal por fluorescência infravermelha próxima

Em áreas de pesquisa científica como biomedicina, ciência dos materiais, dispositivos fotoeletrônicos e engenharia biomédica, amostras alvo (por exemplo, tecidos profundos de pequenos animais vivos,NIR-IIPontos Quânticos/Microestrutura do perovskitaCélulas marcadas com sondas fluorescentes biológicamente direcionadas) muitas vezes apresentam evolução dinâmica e multi-estrutura.nível eCaracterísticas complexas devidas à sensibilidade ambiental, suas principais características (como profundidade de imagem de tecido, uniformidade de luminosidade do material, eficiência de direcionamento da sonda) e distribuição espacial, dinâmica temporal e luz-As interações materiais estão intimamente ligadas. As técnicas tradicionais de imagem única só podem obter informações a partir de uma única dimensão e são difíceis de superar "Limitações de imagem superficial" com "Alta interferência de fundo" Duplo gargalo, não é possível analisar completamenteNIR-IINecessidades de imagem profunda e de alta resolução. O sistema de microimagem co-focal de fluorescência de zona 2 do infravermelho próximo é integradoNIR-IIA vantagem da banda, a capacidade de resolução espacial confocal e a função de monitoramento dinâmico in situ permitem a análise de imagens abrangentes de amostras desde microestruturas submicrônicas até tecidos profundos de milímetros.NIR-IITecnologias essenciais para pesquisar gargalos em sistemas complexos relacionados.

Qualquer nãoNIR-IITecnologias de imagem em banda ou padrões não confocais têm limitações inerentes à capacidade de imagem profunda e resolução espacial, refletindo apenas algumas propriedades da amostra e não capturando completamente.NIR-IINecessidades principais de pesquisa no campo. Por exemplo, a imagem confocal da luz visível, embora tenha uma resolução espacial submicrônica, devido à forte dispersão e absorção da luz visível pelo tecido biológico, penetra a profundidade de apenas algumas centenas de mícrons, dificultando a cobertura do cérebro do rato, fígado e outros tecidos profundos;NIR-IImagem fluorescente (700-900 nmEmbora a profundidade de penetração tenha aumentado ligeiramente, ainda está limitada aAbsorção Pan-Frequênciaruído de fundo significativo, incapaz de distinguir claramente a fronteira do tumor do tecido normal; Largo campo normalNIR-IIImagens podem ser usadas "Janela Bioóptica"1000-1700 nmPenetração de milímetros, sem capacidade de estratificação espacial cofocal, incapaz de localizar estruturas submicrônicas em tecidos profundos (como ramos capilares); A imagem de fluorescência transitória captura a dinâmica luminosa, mas não pode ser associadaNIR-IIDistribuição no espaço profundo —— Isso requer o uso de sistemas de microimagem co-focal de fluorescência de zona 2 de infravermelho próximo, através de “NIR-IIBanda de baixa dispersão+Foco em alta resolução” A sinergia preenche lacunas críticas em imagens profundas e de alta resolução e a complementaridade do zoom Z com outras tecnologias.(Referência:Schmidt et al.,Nat Rev Methods Primers 4, 23 (2024).）

Gráfico1. Imagem de fluorescência da zona 2 do infravermelho próximo

No campo da detecção de informações ópticas, os sistemas de microimagem confocal de fluorescência de infravermelho próximo de duas zonas muitas vezes integram a função de regulação ambiental in situ (temperatura, umidade, atmosfera de gás, adaptação a amostras biológicas vivas) com a associação de dados multimodais (captação sincrônica de intensidade de fluorescência, imagem de estratificação espacial, resolução temporal de sinais luminosos) através de aberturas numéricas elevadas.NIR-IIFoco de objetivos dedicados para excitar a luz e filtrar a luz de fundo para garantir um espaço uniforme-Distribuição de fluorescência tridimensional e dados de evolução dinâmica de amostras obtidas sincronicamente sob o sistema de coordenadas de profundidade, evitando efetivamente a detecção passo a passo tradicional "Deslocamento estrutural devido ao deslocamento da amostra" "Extinção de fluorescência devido a mudanças ambientais" Espere perguntas. Devido ao tecido biológicoNIR-IIA dispersão e absorção da luz são apenas visíveis.1/10-1/5E esse sistemaDisponibilidade baixaFototoxicidade (redução de danos fotológicos nos tecidos), analisável em tempo real "LuzNIR-IISonda-organizações biológicas”. A dimensão transversalMecanismo de Interação —— Por exemplo, em imagens cerebrais de ratos vivos, a distribuição do diâmetro capilar e da velocidade do fluxo sanguíneo a poucos milímetros de profundidade é clara; EmNIR-IIquânticoEstrutura de micro pontosNa caracterização, submicrônicos podem ser localizadosÁrea de níveldefeitos de iluminação. Essa estratégia de integração não sóNIR-IIMicro materiaisEstudos de mecanismos microscópicos como o mecanismo de iluminação da interface e a função fisiológica dos tecidos biológicos (como a angiogenese tumoral) fornecem evidências diretas e também através de "Monitoramento dinâmico+Análise Profunda » A combinação de tecnologias estabelece a base metodológica central para revelar as leis de interação em escala em sistemas complexos, como a interação do microambiente tumoral com a sonda.

O valor central do sistema de microimagem de fluorescência co-focal da zona 2 do infravermelho próximo não é apenas “NIR-IIVantagens da banda+Capacidade de Resolução Confocal » A aplicação sinergética é principalmente a que produz "Espaço-Profundidade-Tempo " Acoplamento profundo e análise inteligente de dados de imagem multidimensional. Esta fusão ultrapassa as técnicas de imagem tradicionais. "Limitação superficial" "Resolução"-Penetrar na profundidade do equilíbrio" do "Ilha de dados" Problemas através da criação A amostra está vaziaDistribuição-Resposta organizacional profunda-Evolução Dinâmica do Tempo » Modelo de associação em escala transversal que permite a compreensão holográfica de sistemas complexos —— Por exemplo, no diagnóstico do tumor, a localização espacial da fronteira do tumor, o estado do fornecimento de sangue dos vasos sanguíneos profundos e o alvo da sonda podem ser obtidos simultaneamente.Para a combinaçãoeficiência; EmNIR-IINa caracterização do material, a intensidade da luminosidade microrregional pode ser associada à uniformidade da estrutura cristalina. Especialmente no contexto do rápido desenvolvimento atual de inteligência artificial e aprendizagem profunda, os dados de imagem de grande fluxo gerados pelo sistema (como mapas de fluorescência tridimensional de tecidos vivos, curvas dinâmicas de luminescência de microregiões de materiais) combinados com algoritmos de aprendizagem profunda permitem o reconhecimento automático de áreas tumorais, análise quantitativaNIR-IIPosicionamento inteligente de defeitos de materiais, certamente superará os existentes “Experiência guiada” Paradigmas de imagem e caracterização, orientados por dadosNIR-IINova fase da investigação científica.

Caso de aplicação:

1. tempo-vazioquarto-Dinâmica profunda e mecanismos moleculares de análise multidimensional de energia de tecidos biológicos

Infravermelho Perto II (NIR-II，1000-3000 nm(Banda)Organização baixaVantagens inerentes à dispersão, baixa autofluorescência e a distinção temporal de espectro e espaço real (r-espaçocombinação de imagem, capaz de realizar sobre os tecidos biológicosNIR-IIA análise sistemática das propriedades de emissão das sondas fluorescentes em diferentes atrasos temporais, diferentes posições espaciais e diferentes energias (comprimentos de onda) revela a dependência dos sinais da sonda e dos processos biológicos. A ideia central da imagem fluorescente da zona 2 do infravermelho próximo é "Tempo atrasado" com Tipo de sonda/Parâmetros de estimulação » Como variável fundamental, a InGaAs DetectoresintermediárioLargo campo de guia/Foco comum/Sistemas de imagem óptica e portas eletrônicasControle do tempoTecnologia de resolução para medição precisa de três categorias em diferentes condiçõesNIR-IIDiferenças na intensidade luminosa, comprimento de onda de emissão e distribuição espacial da sonda (nanopartículas inorgânicas, moléculas orgânicas, proteínas de engenharia genética) para construir o sinal da sonda no tempo-Espaço (t-rDistribuição dinâmica no espaço. Em comparação com a luz visível tradicional/ NIR- IImagem (Apenas atençãoestrutura estática superficial e luz macro-forte),NIR-IIA imagem fluorescente não só fornece informações sobre a evolução dinâmica da sonda (como a velocidade do fluxo sanguíneo, a trajetória de eliminação de drogas) e o posicionamento no espaço profundo, mas também reflete as leis de dispersão induzidas pela luz dentro do tecido biológico, a eficiência da combinação da sonda com o alvo biológico e a auto-inibição da fluorescência em relação ao sinal-ruído.SNR(Papel de promoção).(Referência:Nat Rev Methods Primers 4, 23 (2024).）

Gráfico2. No tumorCD8+O TCélula (vermelho), especificidade do antígeno da ovoproteínaO TCélulas (verdes) epernp-ovacaso- BCitracina-Ácido fosfórico-Aves (O CpG B(3D da Nanovacina (azul))3D(Reconstrução)NIR-IIImagens[1]

Além disso, se o eixo de energia for introduzido com base na distinção temporal e imagem espacial (Eou seja, o comprimento de onda de emissão da sonda), pode ser atrasado pelo tempo (tPosição Espacial (rcom energia fotonica)EEspaço tridimensional (t-r-EO mapa de emissão do sinal da sonda é desenhado no espaço de fase, isto é,Eu (t, r, E)O mapa. Esses mapas permitem que os pesquisadores acompanhem simultaneamente as regras de evolução temporal da sonda (por exemplo, movimentos na fronteira do fluxo sanguíneo, envelhecimento da transferência linfática), características de distribuição espacial (por exemplo, áreas de agrupação alvo do tumor, ramos vasculares profundos) e características de adaptação energética (por exemplo, comprimentos de onda de emissão e transmissão).NIR-IIcorrespondência de sub-áreas), revelando diferentes sondas-Origem seletiva da emissão de sinais em um estado de interação biológica. Por exemplo, na imagem de tecidos biológicos vivos, em diferentes momentos, espaços e energias.NIR-IIO sinal da sonda apresenta diferenças significativas:FDAAprovado.ICGCom caudaLançamento estendido paraNIRIIa Distrito (1300-1400 nmlocalização submilimétrica em tempo real em cirurgia de tumores do fígado humanoTransferência de nívelfogão (resolução espacial)2 milímetrosPossibilidade de rastrear após a operação em dimensão temporal. 24 Dinâmica da limpeza hepática renal da sonda em horas;NaYbF4: ÉNanopartículas de terras raras (RENPs(Lançamento)NIR-IIb de 1550 nmO sinal de banda permanece depois de penetrar o crânio completo do rato.SNR > 10Distinguir claramente no espaço as artérias cerebrais (vermelho) e as veias (azul) ramos, a energia corresponde à dispersão do tecido minimizando a janela, o tempo passa> 20Quadro/Imagens dinâmicas de segundos capturam flutuações do fluxo sanguíneo desencadeadas pelo ciclo cardíaco;CH-4T@Emissão de complexos de proteínasNIR-II de 1000 nmsinais que podem ser usados ​​em imagens linfáticas com sondas vasculares (DCNPs，1060 nmFormar imagens bicolores, distinguir com precisão os ganglios perigonais no espaço e a rede vascular circundante, acompanhar no tempo o processo de transporte da sonda da injeção intracutânea para os ganglios linfáticos (~30minutos até o pico);NIR-IIA imagem fluorescente pode ser usada para determinarRENPspara "Sonda prioritária de imagem de tecido cerebral profundo" (adaptação)NIR-IIbjanela de baixa dispersão),ICGpara "Sonda de Prioridade de Transformação Clínica"FDAAprovação de propriedades), ao mesmo tempo que identifica as leis de decadência da autofluorescência do tecido com o aumento do comprimento de onda (> 1300 nmIgnorável) causadoSNRAumentar o efeito.

2. Pontos QuânticosSondaPreparação eNIR-IIAplicações de Bioimagem Profunda

Infravermelho Próximo II (NIR-II，1000-1700 nmImagem fluorescenteOrganização baixaA vantagem única da dispersão e baixa autofluorescência apresenta um grande potencial no campo da imagem de alta resolução de tecidos profundos, tornando-se uma direção de pesquisa importante para a imagem biomédica. No entanto, as existentesNIR-IIProblemas generalizados de baixa produtividade quântica, má estabilidade química ou incompatibilidade com fluorescentes (por exemplo, corantes orgânicos, nanotubos de carbono, nanocristais de terras raras); Embora PbS Pontos Quânticos (QDscom alta produtividade quântica (até60%Metais pesados (Pb²⁺toxicidade do vazamento,S²⁻O defeito de estabilidade óptica causado pela oxidação restringe gravemente sua aplicação em imagens vivas. Nos últimos anos,PbS@CdS Estrutura da casca nuclearQDsAtravés CDS A casca melhorou inicialmente.Pb²⁺Problemas de vazamento, e O SiO₂comFDAAprovado.Dois paisPolímerosO Pluronic F-127Estratégia de revestimento de duas camadas para melhorar ainda mais a estabilidade química e a biocompatibilidade dos materiais——O SiO₂A camada fornece isolamento físico para inibir a oxidação e o vazamento de íons,do F-127A camada confere solubilidade em água e capacidade de adsorção antibiótica através da construção PbS@CdS @SiO (em inglês)₂@F-127Nanopartículas (NPsEsperamos uma rupturaNIR-IISondas fluorescentes“Brilho alto-Alta estabilidade-baixa toxicidade”. Gargalos difíceis de equilibrar oferecem novas opções para imagens de tecidos profundos, como o cérebro vascular e o trato gastrointestinal.

Neste estudo, a quantidade alvo foi preparada usando microemulsão de fase inversa, modificação de injeção de superfície e processo de dispersão por ultra-som.sub-ponto e combinado com microscópio eletrônico de transmissão (TEMDispersião dinâmica da luz (DLS(Estabilidade)/Espectro de fluorescência transitória, espectro de absorção atómica (AAS) e InGaAs Sistema de imagem de câmera. O sistema revela PbS@CdS @SiO (em inglês)₂@ F-127 NPsPropriedades ópticas, estabilidade química e propriedades de imagem biológica, com alta produtividade quântica (~5.79%Muito mais do que a maioria existente.NIR-IIfluorescente), larguraO pHEstabilidade Química (pH 1-13Dentro24 horasAlterações de fluorescência<30%baixa toxicidade interna e externa)UMUC3Células 10 microgramasem / mlTaxa de sobrevivência em concentração> 90%bem como limpeza intra-corporal ultra-rápida (após o refluxo gastrointestinal)4,5 horascom excreção de fezes) e outras vantagens; Esse aumento de desempenho é atribuído a O SiO₂-F-127Sinergia da estrutura dupla——O SiO₂A concha isola fisicamente oxigênio e água para inibirQDsoxidação,do F-127doPEGOs segmentos da cadeia reduzem a adsorção de proteínas e aumentam a solubilidade em água, enquanto ambos formam uma cobertura densacamada eficazBloquearPb²⁺/Cd²⁺vazamento, ao mesmo temponTipoQDsA interação da interface com a camada de revestimento otimiza as propriedades de emissão de fluorescência.(Referência:Zebíbulaet al.,Advogado.Função- Mãe. , 32: 2200386 (2022)）

Gráfico3. O mesmo vaso cerebral do rato fotografado em diferentes profundidadesNIR-IIImagens fluorescentes

Os resultados do experimento confirmaram eficazmente a camada única CDS par de casca PbS Efeito de proteção nuclear (redução)Pb²⁺taxa de vazamento) e O SiO₂-F-127O revestimento de dupla camada melhora a estabilidade química, destacando PbS@CdS @SiO (em inglês)₂@ F-127 NPsNIR-IIDesempenho de imagem: seu pico de lançamento está localizado em1155 nm(AdaptaçãoNIRIIa janela de dispersão baixa), realizada em imagens cerebrovasculares de ratos 950 milímetros Visualização clara de redes vasculares profundas,3DReconstrução de imagens para distinguir capilares da meninge mole; Na imagem gastrointestinal, 80 microgramasem kgDoses baixas podem ser alcançadas.3-5 milímetrosRastreamento Dinâmico dos Órgãos Digestivos Profundos10 minutoscontorno do estômagoe4,5 horasaté o intestino grosso e excretado com as fezes),7 dNão há resíduos no corpo. Ao mesmo tempo, esses resultados também orientam diretamente a seleção dos parâmetros experimentais da sonda: o comprimento de onda de excitação é determinado como785 nm(correspondência) PbS@CdSQDsalta eficiência de excitação), bloqueio de janela de detecção de imagem1100-1700 nm(filtrar a dispersão de luz excitada); Entre eles, diferentesO pHOs mapas das mudanças na intensidade da fluorescência sob as condições fornecem evidências ópticas diretas da estabilidade química da cobertura de duas camadas, enquanto a evolução dinâmica dos sinais fluorescentes em imagens vivas (como flutuações no fluxo sanguíneo cerebrovascular, trajetória de migração da sonda gastrointestinal) confirma ainda mais a confiabilidade do ponto quântico na monitorização dinâmica do tecido profundo.

3. Infravermelho de ondas curtas solúvel em água biocompatível (SWIRLançamento de floresJingSíntese de sondas fluorescentes e câncer de mama vivo multidimensionalMoléculas de grauAplicações de imagem

Infravermelho de ondas curtas (SWIR，900-1400 nm(Crédito de imagem)Organização baixaA vantagem única da dispersão e baixa autofluorescência mostra um enorme potencial de aplicação na visualização biomolecular de tecidos profundos, especialmente para a imagem precisa de tumores sólidos, como o câncer de mama. No entanto, atualmente disponíveis na pesquisa clínica e científicaSWIRAs sondas fluorescentes têm limitações significativas:FDAInfravermelho próximo aprovado (NIR(Sondas)JingVerde (ICGembora possa ser estendida paraSWIRemissão de banda, mas o comprimento de onda de excitação é limitado a800 nmAbaixo, apenas a imagem monocromática é suportada e não pode atender às necessidades de monitoramento sincronizado de vários alvos; OutrosSWIROs fluorósferos (por exemplo, nanotubos de carbono, pontos quânticos) enfrentam problemas de biocompatibilidade ruim, insolubilidade em água insuficiente ou complexidade de síntese. Nos últimos anos, com baseICGdo π-Flor de extensão conjugadaJingOs corantes são altamente preocupados devido à alta regulabilidade estrutural e à alta segurança biológica.ICG-C9comICG-C11aumentando maisCadeia de KagawaNúmero de botões duplos (respectivamente)ICGMais 1 um、2 umbotão duplo), para alcançar a mudança vermelha de comprimento de onda de emissão paraSWIRfaixa central e com baseICGA base de biocompatibilidade do núcleo mãe permite otimizar a solubilidade em água através de modificações de superfície. através da construçãoICG/ICG-C9/ICG-C11A sonda de base é acoplada a anticorpos, marcadores de apoptose ou medicamentos anticancerígenosSWIRA vantagem da imagem e a capacidade de reconhecimento de alvos para a análise multidimensional dos receptores de superfície do câncer de mama, vasos sanguíneos tumorais e processos apoptóticosSWIRA transformação clínica da imagem molecular oferece novas ideias.(Referência:Mahadeva et al.,Aplicação ACS. Mãe. Interfaces. ,16, 17253−17266(2024).）

Gráfico4. HuJingVerde (ICG), eICG-C9comICG-C11Características ópticasA caracterização combinada inclui espectro de absorção, espectro de fluorescência,Picos de emissão de fluorescência e produtividade quânticaVida de emissão fluorescente

Neste estudo, a síntese orgânica, estável/Caracterização espectral transitória e técnicas de imagem viva, o sistema revelaICG-C9/ICG-C11Propriedades ópticas e desempenho de bioimagem da sonda, descobrindo que tem precisãoSWIREmissão de banda (fase aquática)1% de BSAno meio,ICG-C9Lançamento922 nmeICG-C11Lançamentode 1010 nmExcelente biocompatibilidade (HeLaCélulas 10 μO MTaxa de sobrevivência em concentração> 90%No corpo. 4 Chou fígado rimIndicadores funcionais normais (e capacidade de imagem estável)1% de BSAExposição a laser média60 minutosTaxa de branqueamento de luz< 30%Esse aumento de desempenho é atribuído a π-Efeito de deslocamento em vermelho do comprimento de onda causado pela expansão da conjugação,BSAComposição com a sonda para melhorar a estabilidade, bem como floresJingA herdança nuclear maternaICG生物安全性。

Os resultados do experimento foram confirmados.ICG-C9/ICG-C11do π-Estrutura de expansão conjugada eSWIRAssociação de características de lançamento (por cada aumento 1 umDuplo botão, deslocamento vermelho do comprimento de onda de emissão ~100 nm), eNHSEster, MalásiaácidoReagentes de marcação e anticorpos (HerceptinaeErbitux), eanexina VMedicamentos contra o câncerKadcylaCapacidade de acoplamento eficiente que destaca a multicor da sondaSWIRAdaptabilidade da imagem —— Através785 nm（ICG), ede 905 nm（ICG-C9), e975 nm（ICG-C11Filtro de excitação diferenciada e banda correspondente (900±25 nm、1000±25 nm、1100±25 nmPossibilidade de realização da mamacâncerHER2/EGFRImagem sincronizada tricolor dos receptores e vasos sanguíneos tumorais; Ao mesmo tempo, os resultados também orientam diretamente a seleção de combinações de sondas para imagem apoptótica (ICG-KadcylacomICG-C9/IC11-anexina VParâmetros de comprimento de onda para monitoramento a longo prazo (ICG-C9-KadcylaAdopçãode 905 nminspiração,> 1000 nmdetecção). Em que a absorção estável/Espectroscopia fluorescente confirma a sonda-Retenção de propriedades ópticas após acoplamento biomolécular, fluorescência transitóriadecadênciaCurvas (ICG-C9Vida útil2,7 nseICG-C11Vida útil7,1 ns(ParaSWIRO reconhecimento de resolução temporal do sinal fornece a evidência óptica necessária, enquanto a distribuição do sinal da imagem em vivo verifica a direcionabilidade da sonda.