система флуоресценции с общей фокусировкой в ближней инфракрасной области спектра

В таких областях научных исследований, как биомедицина, материаловедение, фотоэлектронные приборы и биомедицинская инженерия, целевые образцы (например, глубокие ткани живых мелких животных,НИР-IIКвантовая точка/микронаноструктура перовскитаКлетки, помеченные биоцелевым флуоресцентным зондом) часто демонстрируют динамическую эволюцию и многоструктурнуюУровень иСложные характеристики, чувствительные к окружающей среде, их основные характеристики (например, глубина изображения ткани, световая однородность материала, целевая эффективность зонда) и пространственное распределение, временная динамика и свет-Материальное взаимодействие тесно связано. Традиционная технология единой визуализации может получать информацию только из одного измерения и трудно прорваться "Ограничения неглубокого изображения" и "Высокие фоновые помехи" Двойное узкое место, не поддающееся полному анализуНИР-IIВ диапазоне есть потребности в изображениях с глубоким и высоким разрешением. В то время как флуоресцентная система с общей фокусировкой в ближней инфракрасной области 2 интегрированаНИР-IIПреимущества диапазона, возможность пространственного разрешения с общей фокусировкой и функция динамического мониторинга на месте для достижения полного анализа изображений образцов от субмикронной микроструктуры до нескольких миллиметров глубинных тканей стали прорывомНИР-IIОсновные технологии, связанные с узкими местами в исследованиях сложных систем.

Любое неНИР-IIТехнология визуализации в диапазоне или режим некоммунистической фокусировки имеют присущие ограничения глубинной способности визуализации и пространственного разрешения, которые отражают только некоторые свойства образца и не могут быть полностью захваченыНИР-IIОсновные исследовательские потребности в этой области. Например, изображение с общей фокусировкой видимого света, хотя и с субмикронным пространственным разрешением, но из - за сильного рассеяния и поглощения видимого света биологической тканью, глубина проникновения составляет всего несколько сотен микрон, трудно покрыть мозг мыши, печень и другие глубокие ткани;НИР-IФлуоресцентные изображения (700-900 нм(Хотя глубина проникновения несколько увеличилась, но все же ограниченаГиперчастотное поглощение тканейФоновый шум был значительным и не мог четко отличить границы опухоли от нормальной ткани; Обычное широкое полеНИР-IIХотя изображение можно использовать « Биооптическое окно» (1000-1700 нмДостижение проникновения в несколько миллиметров без возможности пространственной стратификации с общей фокусировкой для определения субмикронных структур (например, капиллярных ветвей) в глубоких тканях; Переходные флуоресцентные изображения могут захватывать динамику света, но не могут быть связаныНИР-IIГлубокое пространственное распределение в диапазоне - Да. Это требует использования двухзональной флуоресцентной системы с общей фокусировкой микроизображения в ближнем инфракрасном диапазоне "НИР-IIНизкое рассеяние в диапазоне+Софокальное высокое разрешение». Синергические преимущества, чтобы заполнить ключевые пробелы в глубоких изображениях с высоким разрешением, Z - масштабирование и взаимодополняемость других технологий.(Ссылки:Schmidt et al.,Nat Rev Methods Primers 4, 23 (2024).)

рисунок1. флуоресцентное изображение в ближней инфракрасной области спектра II

В области оптического обнаружения информации, почти инфракрасная двухзонная флуоресцентная система с общей фокусировкой микровизуализации часто интегрируется с регулированием окружающей среды на месте (температура, влажность, газовая атмосфера, адаптация живых биологических образцов) и функциями мультимодальных данных (синхронный сбор интенсивности флуоресценции, изображения пространственной стратификации, световые сигналы с временным разрешением), через высокую числовую апертуруНИР-IIСпециальные объективы фокусируются на возбуждающей люминесценции, иглоукалывание фильтрует фоновый шум, чтобы обеспечить в едином пространстве-Данные о трехмерном распределении флуоресценции и динамической эволюции образцов, полученных синхронно в системе координат глубины, эффективно избегают традиционного поэтапного обнаружения "Структурная дислокация, вызванная смещением образца". Такие вопросы. Поскольку биологическая организацияНИР-IIРассеяние и поглощение света только видимое.1 / 10 - 1 / 5И эта системаНаличие низкихФототоксичность (уменьшение светового повреждения тканей), может быть проанализирована в реальном времени « Свет- НИР-IIзонд-Биологическая организация» Кросс - измерениеМеханизмы взаимодействия - Да. Например, при визуализации мозга живых мышей четко отображается диаметр капиллярных труб и распределение скорости кровотока на глубине нескольких миллиметров; вНИР-IIКвантовыйточечная наноструктураВ представлении можно определить субмикронУровеньСветящийся дефект. Эта стратегия интеграции не толькоНИР-IIнаноматериалыМикромеханические исследования, такие как интерфейсные световые механизмы, физиологические функции биологических тканей (например, новообразования опухолевых кровеносных сосудов), дают прямые доказательства, а также через "Динамический мониторинг+Глубокая слоистость». Сочетание технологий заложило основную методологическую основу для раскрытия законов межмасштабных действий сложных систем, таких как микроокружение опухоли и взаимодействие зондов.

Основная ценность флуоресцентной системы микровизуализации с общей фокусировкой в ближнем инфракрасном диапазоне II заключается не только в том, "НИР-IIПреимущество диапазона+Совместная фокусная разрешающая способность». Синергическое применение, в первую очередь, связано с его созданием. « Пространство-глубина-Время " Глубокая связь данных многомерного изображения с интеллектуальным анализом. Это слияние прорывает традиционные технологии визуализации. "Мелкие ограничения" "Разрешение-Взвешивание глубины проникновения». 的 « Остров данных» Проблемы, через создание "Образец пустойИнтерраспределение-Глубокий организационный ответ-Динамическая эволюция времени». Модель межмасштабной корреляции обеспечивает голографическое познание сложных систем - Да. Например, при диагностике опухоли можно одновременно получить пространственное положение границы опухоли, состояние кровоснабжения глубоких кровеносных сосудов и цель зонда.Ориентация на соединениеЭффективность; вНИР-IIВ представлении материала можно связать интенсивность света в микрообласти с однородностью кристаллической структуры. В частности, в нынешнем контексте быстрого развития искусственного интеллекта и глубокого обучения, система генерирует данные изображений большого потока (такие как трехмерная флуоресцентная карта живой ткани, световые динамические кривые в микрообласти материала) в сочетании с алгоритмами глубокого обучения для достижения автоматического распознавания опухолевых областей, количественного анализа механических параметров кровотока,НИР-IIИнтеллектуальное позиционирование дефектов материала обязательно прорвется через существующие « Опытный драйвер» Парадигма изображения и представленияНИР-IIНовый этап научных исследований.

Примеры применения:

1. время-Пустойпромежуток-Энергетический многомерный анализ глубинных динамических и молекулярных механизмов биологических тканей

Второй инфракрасный (НИР-IIА,1000-3000 нм) ДиапазонНизкая организацияНеотъемлемое преимущество рассеянной, низкой аутоиммунной флуоресценции с временным разрешением спектра и реального пространства (r-пространство(Изображения в сочетании, которые могут быть реализованы в биотканиНИР-IIСистематический анализ эмиссионных характеристик флуоресцентных зондов при различных временных задержках, различных пространственных позициях и различных энергиях (длинах волн) позволяет получить представление о зависимости сигналов зонда от биологических процессов. Основная идея флуоресцентной визуализации в ближнем инфракрасном диапазоне - « Задержка времени» и "Тип зонда/Параметры возбуждения " Как ключевая переменная, через InGaAs ДетекторЦзеШирина поля проводимости/Совокупная фокусировка/Фотографические системы и электронные двериКонтроль времениТехнология разрешения, точное измерение трех классов в разных условияхНИР-IIИнтенсивность света зонда (неорганические наночастицы, органические молекулы, генно - инженерные белки), разница в длине волны излучения и пространственном распределении, построение сигнала зонда во времени-Пространство (т-рКарта динамического распределения в пространстве. По сравнению с традиционным светом/ НИР-IИзображения (Только вниманиенеглубокая статическая структура и макроскопическая сила света),НИР-IIФлуоресцентная визуализация не только обеспечивает динамическую эволюцию зонда (например, скорость кровотока, траектория удаления наркотиков) и информацию о позиционировании в глубоком пространстве, но также отражает закономерности рассеяния, вызванные светом внутри биологической ткани, эффективность соединения зонда с биологической мишенью и отношение сигнала к шуму от подавления флуоресценции организма (СНР) Повышение роли.(Ссылки:Nat Rev Methods Primers 4, 23 (2024).)

рисунок2. В опухолиCD8+ТКлеточная (красная), антигенная специфичность альбуминаТКлетки (зеленые) ипернп-ovacase- ВЦитомидин-фосфорная кислота-Птицы (CpG БНано - вакцины (синие) трехмерные (3D) РеконструкцияНИР-IIИзображения[1]

Далее, если на основе временного разрешения и пространственной визуализации вводится энергетическая ось (ЕТо есть длина волны, излучаемой зондом, может быть отсрочена по времени (тПространственное расположение (р& Фотонная энергия (ЕТрехмерное пространство (t-r-EКарта распределения эмиссии сигнала зонда в фазовом пространстве, т.е.Я (t, r, E)Картография. Такие карты позволяют исследователям одновременно отслеживать закономерности временной эволюции зонда (например, перемещение переднего края кровотока, старение лимфатического транзита), пространственные характеристики распределения (например, область концентрации опухоли, глубокие кровеносные ветви) и характеристики энергетической адаптации (например, длина волны излучения иНИР-IIПодзонное совпадение), раскрывающее различные зонды-Избирательное происхождение сигналов в условиях биологического взаимодействия. Например, в изображениях живых биологических тканей, в разное время, пространство и энергияНИР-IIСигналы зонда значительно различаются:FDAУтвержденоМКГС хвостомЗапуск продолжается доНИР-IIа Район (1300-1400 нмПодмиллиметровая локализация в реальном времени при операции на опухоли печени человекаПереход уровняОчки (пространственное разрешение...2 мкмМожно проследить послеоперационное измерение во времени. 24 Динамика удаления печени и почек зондом в течение часа;NaYbF4: ЭрРедкие наночастицы (РЕНП) Запуск1550 нм NIR-IIbСигнал в диапазоне сохраняется после полного проникновения в череп мышиСНР>10Пространство четко различает мозговые артерии (красные) от венозных (синих) ветвей, энергетически соответствует тканевому рассеянию минимального окна, проходит во времени> 20Кадр/Секундное динамическое изображение захватывает колебания кровотока, вызванные сердечным циклом;CH-4T@Протеиновый комплекс1000 нм NIR-IIСигнал, который в лимфатической визуализации может быть с сосудистым зондом (DCNPА,1060 нмФормирование двухцветной визуализации, пространственно точное различие между паховыми лимфатическими узлами и окружающими кровеносными сетями, время отслеживает процесс доставки зонда из коры в лимфатические узлы (~ 30Минуты до вершины);НИР-IIФлуоресцентные изображения могут быть использованы для определенияРЕНПза "Приоритетный зонд для визуализации глубоких тканей мозга" (адаптируется)НИР-IIbОкно с низким рассеянием),МКГза "Приоритетный зонд клинической трансформации" (FDAАтрибуты утверждения) при одновременном распознавании закономерностей затухания собственной флуоресценции ткани с увеличением длины волны (>1300 нмИгнорируемые) вызываемыеСНРПовышение эффективности.

2. Квантовая точказондПодготовка иНИР-IIПрименение глубокой биовизуализации

Инфракрасная область 2 (НИР-IIА,1000-1700 нмФлуоресцентные изображения с помощьюНизкая организацияУникальные преимущества рассеянной и низкоаутологичной флуоресценции демонстрируют огромный потенциал в области визуализации с высоким разрешением глубоких тканей и становятся важным направлением исследований биомедицинской визуализации. Однако, существующиеНИР-IIФлуоресцентные массы (например, органические красители, углеродные нанотрубки, редкоземельные нанокристаллы), как правило, имеют проблемы с низкой квантовой производительностью, плохой химической стабильностью или недостаточной биологической совместимостью; Хотя ПбС Квантовые точки (QDОбладает высокой квантовой производительностью (доступной)60%Но его тяжелые металлы (Pb²⁺Утечка токсичность,S²⁻Недостатки оптической стабильности, вызванные легкостью окисления, серьезно ограничивают его применение в живом изображении. В последние годыPbS@CdS Ядерная оболочкаQDчерез CdS Началось улучшение оболочки.Pb²⁺Проблема утечки, и СиоДииFDAУтвержденоДвойное родствоПолимерыПлюроник F-127Стратегия двухслойного покрытия может дополнительно повысить химическую стабильность материала и биологическую совместимость- Да.СиоДиСлой обеспечивает физическую изоляцию для подавления окисления и утечки ионов,F-127Слои придают растворимость в воде и устойчивость к биоадсорбции, создавая PbS@CdS @СИО₂@F-127Наночастицы (НП) Надеемся на прорывНИР-IIФлуоресцентный зонд“Высокая яркость-Высокая стабильность-Низкая токсичность». Трудно сбалансировать узкие места, предлагая новые схемы для глубокой визуализации тканей, таких как кровеносные сосуды головного мозга и желудочно - кишечный тракт.

В этом исследовании целевые показатели были подготовлены с использованием антифазной микроэмульсии, модификации поверхностной прививки и ультразвуковой дисперсииПодточка в сочетании с просвечивающим электронным микроскопом (ТЕМДинамическое рассеяние света (DLS) Стабильное состояние/Переходный спектр флуоресценции, спектр атомного поглощения (ААС) и InGaAs Система визуализации камеры, система раскрывает PbS@CdS @СИО₂@ F-127 НПСобственные оптические свойства, химическая стабильность и биовизуализация, обнаружили, что они имеют высокую квантовую производительность (~ 5,79%Больше, чем большинство существующихНИР-IIФлуоресцентные скопления), ширинаpHХимическая стабильность (РН 1-13внутри24 часаИзменение флуоресценции< 30%Низкая внутренняя и внешняя токсичность (UMUC3Клетки 10 мкг/ млВыживаемость при концентрации> 90%), а также сверхбыстрое очищение организма (после желудочно - кишечного наполнения желудка)4,5 часас экскрементами) и другими преимуществами; Эти улучшения обусловлены Сио₂-F-127Синергия двухуровневой структуры- Да.СиоДиОболочка физически изолирует кислород от воды для подавленияQDОкисление,F-127的ПЭГСегменты цепи снижают адсорбцию белков и повышают растворимость в воде, в то время как они образуют плотное покрытиеСлой действителенблокироватьPb²⁺/Cd²⁺Утечка, одновременнонтипQDВзаимодействие с интерфейсом покрытия оптимизирует характеристики флуоресцентного излучения.(Ссылки:Зебибулыи др.,Адв.ФункцияМать. , 32: 2200386 (2022))

рисунок3. У одной и той же мыши кровеносные сосуды были сфотографированы на разных глубинах.НИР-IIФлуоресцентные изображения

Эксперимент подтвердил однослойность. CdS Пара оболочек ПбС Защита ядерного оружия (уменьшениеPb²⁺Коэффициент утечки) и Сио₂-F-127Эффект двухслойного покрытия для химической стабильности особенно заметен. PbS@CdS @СИО₂@ F-127 НПНИР-IIСвойства изображения: пик его эмиссии находится1155 нм(ПодходитНИР-IIа Окно с низким рассеянием), реализованное при визуализации кровеносных сосудов головного мозга мышей 950 мкм Глубокая визуализация кровеносных сетей,3DРеконструкция изображений позволяет различать капилляры оболочки головного мозга; При визуализации желудочно - кишечного тракта, 80 мкг/ кгЖелудок в низких дозах может быть достигнут3-5 ммГлубокое динамическое отслеживание органов пищеварения (10 минутПоказать профиль желудкаА4,5 часаДостигать толстую кишку и сливать с фекалиями),7 гВ задней части отсутствуют остатки. В то же время эти результаты также непосредственно направляют выбор экспериментальных параметров зонда: длина волны возбуждения определяется как785 нм(Соответствие PbS@CdSQDВысокая эффективность возбуждения), блокировка окна обнаружения изображений1100-1700 нм(фильтрация возбуждает световое рассеяние); Среди них, разныеpHКарта изменения интенсивности флуоресценции в условиях дает прямое оптическое доказательство химической стабильности двухслойного покрытия, в то время как динамическая эволюция флуоресцентных сигналов в живом изображении (например, колебания кровотока в сосудах головного мозга, траектория миграции зондов желудочно - кишечного тракта) дополнительно подтверждает надежность квантовой точки в динамическом мониторинге глубоких тканей.

3. Биологическая совместимость с водорастворимым коротковолновым инфракрасным излучением (SWIR) Цветы пускаЦзинСинтез флуоресцентных зондов с живым раком молочной железыСтепень молекулыПрименение изображений

Коротковолновая инфракрасная (SWIRА,900-1400 нм(Изображение с помощьюНизкая организацияУникальные преимущества рассеянной и низкой аутоиммунной флуоресценции демонстрируют огромный потенциал применения в области биомолекулярной визуализации глубоких тканей, особенно для точной визуализации физических опухолей, таких как рак молочной железы. Тем не менее, доступные в настоящее время в клинических и научных исследованияхSWIRФлуоресцентные зонды имеют значительные ограничения:FDAРазрешенная ближняя инфракрасная (НИРзонд индолЦзинЗелёный (МКГ(Хотя может быть расширен доSWIRПередача в диапазоне, но длина волны возбуждения ограничена800 нмНиже, поддерживается только монохроматическое изображение, не может удовлетворить потребности многоцелевого синхронного мониторинга; другиеSWIRФлуоресцентные скопления (например, углеродные нанотрубки, квантовые точки) сталкиваются с проблемами плохой биосовместимости, недостаточной растворимости в воде или сложных синтетических проблем. В последние годы на основеМКГ的 π-сопряжённый цветок расширенияЦзинКрасители из - за сильной структурной регулируемости, высокой биологической безопасности привлекают внимание, среди которыхМКГ-C9иМКГ-C11За счет увеличенияЦепь ТакагаваКоличество двойных клавишМКГмного 1 штука、2 штукаДвойная клавиша) для достижения красного сдвига длины волны передачи вSWIRОсновной диапазон, и опираясьМКГОснова биологической совместимости материнского ядра может быть оптимизирована путем модификации поверхности. ПостроитьМКГ/МКГ-С9/МКГ-С11Базовый зонд может взаимодействовать с антителами, маркерами увядания или противораковыми препаратамиSWIRПреимущества визуализации и способность распознавать цели для достижения многомерного анализа поверхностных рецепторов рака молочной железы, опухолевых кровеносных сосудов и процессов апоптозаSWIRКлиническая трансформация молекулярной визуализации предлагает новые идеи.(Ссылки:Махадева и др.ACS Appl. Мать. Интерфейсы. ,16, 17253−17266(2024).)

рисунок4. ИндолЦзинЗелёный (МКГ),МКГ-C9иМКГ-C11Оптические характеристикиСинтез состоит из спектра поглощения, спектра флуоресценции,Пик флуоресценции и квантовая производительностьи флуоресцентного излучения.

В этом исследовании используется органический синтез, стабилизация/Переходная спектральная характеристика и технология визуализации живых организмов, система показалаМКГ-С9/МКГ-С11Собственные оптические свойства зонда и биометрические свойства, обнаруженные с точностьюSWIRПередача в диапазоне (водная фаза)1% БСАСредний,МКГ-C9запуск922 нмАМКГ-C11запуск1010 нмПревосходная биологическая совместимость (ХелаКлетки 10 μМВыживаемость при концентрации> 90%Внутри 4 Чжоуцзе и почкиФункциональные показатели в норме) и стабильные возможности визуализации (1% БСАСреднее лазерное облучение60 минутКоэффициент фотоотбеливания< 30%) Эти улучшения производительности приписываются π-Эффект красного смещения длин волн,BSAКомбинированное действие с зондом повышает стабильность, а также цветокЦзинМатеринское наследованиеМКГ生物安全性。

Результаты эксперимента подтвердились.МКГ-С9/МКГ-С11的 π-Сопряжённая расширенная структура иSWIRСвязь характеристик запуска (с каждым увеличением) 1 штукаДвойные клавиши, излучающие красное смещение длины волны...100 нм), а такжеНХСЭфиры, лошадиАилРеакторы и антитела, маркированные тремя классами амида и ацетиленовых углеводородов (ГерцептинАЭрбитукс),приложение VАнтираковые препаратыКадкилаВысокоэффективная сцепляемость подчеркивает многоцветность этого типа зондовSWIRАдаптивность изображения - Да. через785 нм(МКГ),905 нм(МКГ-C9),975 нм(МКГ-C11Фильтр дифференцированного возбуждения и соответствующего диапазона (900±25 нм、1000±25 нм、1100±25 нм), Достижение молочной железыРакHER2/EGFRТрихроматическая синхронизация рецепторов и опухолевых кровеносных сосудов; В то же время результаты также непосредственно направляют выбор комбинации зондов для визуализации увядания (ICG-КадчилаиICG-C9/IC11-приложение VПараметры длины волны для долгосрочного мониторинга (ICG-C9-Кадкилаиспользовать905 нмСтимулирование,> 1000 нмОбнаружение). В том числе, стационарное поглощение/Флуоресцентный спектр подтверждает зонд.-Сохранение оптических свойств после биомолекулярного соединения, переходная флуоресценцияраспадКривая (МКГ-C9продолжительность жизни2,7 нсАМКГ-C11продолжительность жизни7,1 нс) ДляSWIRИдентификация сигнала с временным разрешением обеспечивает необходимые оптические доказательства, в то время как распределение сигнала, изображенного живым телом, подтверждает целеустремленность зонда.