근적외선 형광 공초점 현미경 영상 시스템

생물의학, 재료과학, 광전자부품 및 생물의약공정 등 과학연구분야에서 목표견본 (예를 들면 생체소동물 심층조직,NIR-II는양자점/칼슘 티타늄 미네랄 구조, 생물 표적이 형광 탐지기로 표시된 세포) 는 동적 진화, 다구조를 나타낸다계층 및조직상 깊이, 재료 발광 균일성, 프로브 표적 효율 등 환경에 민감한 복잡한 특성과 공간 분포, 시간 동적 및 빛-물질의 상호작용이 긴밀하게 결속되다.기존의 단일 이미징 기술은 한 차원에서만 정보를 얻을 수 있어 돌파하기 어렵다 "얕은 이미지 한계" 와 "높은 배경 간섭" 의 이중 병목 현상, 완벽하게 해결할 수 없음NIR-II는주파수 대역에는 심층적이고 고해상도 영상 수요가 있다.근적외선 2구역 형광 공초점 현미경 영상 시스템은 통합을 통해NIR-II는주파수대역의 우세, 공초점공간분별능력과 제자리동태감측기능은 견본에 대해 마이크로메터의 미시적구조로부터 몇밀리메터의 심층조직에 이르는 전방영상해석을 실현하여 이미 돌파로 되였다.NIR-II는관련 복잡한 체계는 병목의 핵심 기술을 연구한다.

어떠한 비NIR-II는주파수대역의 영상기술이나 비공초점모식은 모두 심층영상능력과 공간해상도의 고유한 제한이 존재하며 견본의 일부 속성만 반영할수 있어 완전하게 포착할수 없다NIR-II는분야의 핵심 연구 수요.예를 들어, 가시광선 공초점 영상은 비록 마이크로미터 공간 해상도를 갖추고 있지만, 생물 조직의 가시광선에 대한 강한 산란과 흡수로 인해 관통 깊이가 수백 마이크로미터에 불과하여 쥐의 뇌, 간 등 심층 조직을 커버하기 어렵다;NIR-I는형광 이미지 (700-900 nm) 관통 깊이가 약간 향상되었지만조직 범주파 흡수, 배경 소음이 현저하여 종양 경계와 정상 조직을 명확하게 구분할 수 없다;일반 광장NIR-II는이미징은 이용할 수 있지만 바이오메트릭 창 (1000-1700 nm) 수 밀리미터 관통을 실현하지만 공초점의 공간 계층 분석 능력이 부족하여 심층 조직 중의 마이크로미터 구조 (예: 모세혈관 분지) 를 포지셔닝할 수 없다;순식간 형광 영상은 발광 동력학을 포착할 수 있지만, 연관시킬 수는 없다NIR-II는주파수 대역의 심층 공간 분포 —— 이것은 근적외선 2구 형광 공초점 현미경 영상 시스템을 이용하여 “NIR-II는주파수 대역 저산란+공초점 고해상도" 의 협동 우세, 심층, 고해상도 영상의 핵심 공백을 메우고, Z대화와 기타 기술의 상호 보완성.(참고문헌:Schmidt 등,Nat Rev Methods Primers 4, 23 (2024).）

그림1. 근적외선 2구 형광 영상

광학 정보 탐지 분야에서 근적외선 2구 형광 공초점 현미경 영상 시스템은 항상 제자리 환경 조절 (온도, 습도, 기체 분위기, 생체 생물 샘플에 적합) 과 다중 모드 데이터 관련 (형광 강도, 공간 계층 분석 이미지, 시간 분별 발광 신호 동시 수집) 기능을 통합하여 높은 수치 공경을 통과한다NIR-II는전용 물안경 초점 발광, 바늘구멍 여과 배경 잡광으로 통일된 공간 확보-깊이 좌표계 아래에서 동시에 샘플의 3차원 형광 분포와 동적 진화 데이터를 획득하여 전통적인 단계별 검측을 효과적으로 회피했다 "샘플 변위로 인한 구조적 착오","환경 변화로 인한 형광 담금질" 등의 문제.생물 조직이 맞기 때문에NIR-II는빛의 산란과 흡수는 가시광선일 뿐이다1/10-1/5및 시스템낮은 수준광독성 (조직 광손상 감소), 실시간 분석 가능 "빛NIR-II는프로브-생물 조직 " 차원 간상호작용 메커니즘 —— 예를 들어 생체 생쥐의 뇌 영상에서는 수 밀리미터 깊이의 모세혈관 관경, 혈류 속도 분포를 선명하게 나타낼 수 있다;에서NIR-II는양자점미나 구조표징 중, 마이크로미터 포지셔닝 가능레벨 영역의 발광 결함.이러한 원위치 융합 전략은NIR-II는미나 재료의 인터페이스 발광 메커니즘, 생물 조직의 생리 기능 (예를 들어 종양 혈관 신생) 등 미시적 기리 연구를 통해 직접적인 증거를 제공했고 "동태 모니터링+심층 분석 " 기술의 결합은 종양의 미세환경과 탐침의 상호작용과 같은 복잡한 체계의 척도간 작용 법칙을 밝히기 위해 핵심 방법학적 기초를 다졌다.

근적외선 2구 형광 공초점 현미경 영상 시스템의 핵심 가치는 “NIR-II는밴드 이점+공통 초점 해상도" 의 협동 응용은 더욱 그 발생에 있다 "공간-깊이-시간 " 다차원 영상 데이터의 깊은 결합과 스마트 해석.이러한 융합은 전통적인 영상 기술을 돌파하였다. 얕은 레이어 한계 해상도-관통 깊이 저울질" 의 "데이터 고립" 문제, 구축 "샘플 없음"간 분포-심층 조직 응답-시간 동적 진화" 의 크로스 스케일 관련 모델은 복잡한 체계에 대한 홀로그램 인식을 실현했다 —— 예를 들어, 종양 진단에서 종양 경계의 공간 위치, 심층 혈관의 혈액 공급 상태 및 탐침의 표적을 동시에 얻을 수 있다방향 결합효율성에서NIR-II는재료 표징에서 미세 영역의 발광 강도와 결정 구조의 균일성을 연관시킬 수 있다.특히 현재 인공지능과 딥러닝이 빠르게 발전하는 배경하에서 이 시스템이 생성한 대통량 영상 데이터 (예를 들면 생체조직 3차원 형광 도감, 재료 마이크로존 발광 동적 곡선) 와 딥러닝 알고리즘을 결합하여 종양 구역 자동 식별, 혈액 유동 역학 파라미터 정량 분석,NIR-II는재료 결함 지능 포지셔닝, 반드시 기존 을 돌파할 것 이다 "경험의 원동력" 데이터 기반 이미징 및 표징 패러다임NIR-II는과학 연구의 새로운 단계.

활용 사례:

1. 시간-비어 있음간-에너지 다차원 해석 생물 조직 심층 동태 와 분자 메커니즘

근적외선 2구역 (NIR-II는，1000-3000 nm) 대역저조직산란, 저자체 형광의 고유한 장점과 시간 분별 스펙트럼 및 실공간 (r-공간) 영상을 결합하면 생물 조직에NIR-II는형광 프로브가 서로 다른 시간 지연, 서로 다른 공간 위치, 서로 다른 에너지(파장)에서의 발사 특성에 대한 체계적인 분석을 통해 프로브 신호와 생물 과정의 의존 관계를 깊이 있게 드러낸다.근적외선 2구 형광 영상의 핵심 사상은 "시간 지연" 와 프로브 유형/발생 매개변수" 주요 변수로 InGaAs는 탐지기개유도 폭/공통 초점/옵티컬 이미징 시스템과 전자문시간 제어분별 기술, 서로 다른 조건 하의 세 가지 유형을 정확하게 측정NIR-II는프로브 (무기 나노 입자, 유기 분자, 유전자 공학 단백질) 의 발광 강도, 발사 파장과 공간 분포 차이, 프로브 신호 구축 시간-공간 (t-r는공간)의 동적 분포 도표.기존 가시광선에 비해NIR-I이미징 (관심만얕은 정적 구조와 매크로 라이트 강도),NIR-II는형광 영상은 탐침의 동적 진화 (예를 들어 혈류 속도, 약물 제거 궤적) 와 심층 공간 위치 정보를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 생물 조직 내부의 빛이 유도하는 산란 법칙, 탐침과 생물 표적점의 결합 효율, 그리고 자체 형광 억제가 신호 소음비 (SNR는)의 향상된 기능입니다.(참고문헌:Nat Rev Methods Primers 4, 23 (2024).）

그림2. 종양 중CD8은+T세포(적색), 난백단백질 항원 특이성T세포 (녹색) 및pernp는-ovacase는- B피라진-인산-구아닌(CpG B는) 나노 백신 (파란색) 의 3D (3D) 재구성NIR-II는이미지[1]

한 걸음 더 나아가 시간 분별과 공간 이미지를 바탕으로 에너지 축 (E, 즉 프로브 발사 파장), 시간 지연 (T), 공간 위치 (r) 및 광자 에너지(E)로 구성된 3D 공간 (t-r-E위상 공간)에서 프로브 신호의 발사 분포도를 그린다.나는 (t, r, E)도감.이런 종류의 도표는 연구자들이 탐침의 시간 진화 법칙 (예를 들어 혈류 최전방 이동, 림프 이송 시효), 공간 분포 특징 (예를 들어 종양 표적 집결 구역, 심층 혈관 분지) 과 에너지 적합 특성 (예를 들어 발사 파장과NIR-II는하위 영역의 일치도), 다양한 프로브 제시-생물 상호작용 상태에서 신호 발사의 선택적 기원.예를 들어, 생체 생물 조직 영상에서 서로 다른 시간, 공간과 에너지 아래의NIR-II는프로브 신호는 크게 다릅니다.FDA는승인의ICG는핑계발사 확장NIR-IIa 영역 (1300-1400 nm), 인간 간 종양 수술에서 실시간으로 아밀리미터를 정할 수 있다레벨 전환부뚜막 (공간 해상도~2 μm), 시간 차원 추적 수술 후 24 시간 내 탐침의 간과 신장 제거 동태;NaYbF4 : Er희토류 나노 입자(RENP) 발사1550nm NIR-IIb쥐의 두개골을 관통한 후에도 유지되는 주파수 신호SNR>10, 공간적으로 뇌 동맥 (빨간색) 과 정맥 (파란색) 분지를 명확하게 구분하고, 에너지적으로 일치하는 조직 산란 최소화 창, 시간적으로 통과> 20프레임/초의 동적 영상은 심장 주기로 인한 혈류 파동을 포착한다;CH-4T@단백질 복합체 발사1000 nm NIR-II신호, 림프 영상에서 혈관 탐지기 (DCNP，1060 nm) 2색 영상을 형성하고, 공간적으로 사타구니 림프절과 주변 혈관 네트워크를 정확하게 구분하며, 시간적으로 탐침이 피내에서 림프절에 주사되는 이송 과정을 추적한다 (~30분달봉);NIR-II는형광 영상은 판정에 사용할 수 있다.RENP위 "심층 뇌 조직 이미징 우선 탐침"(적합NIR-IIb저산란 창),ICG는위 "임상 전환 우선 탐침"(FDA는승인 속성) 및 파장 증가에 따른 조직 자체 형광의 감쇠 법칙을 식별합니다 (> 1300 nm무시 가능) 유발SNR는효과를 높이다.

2. 양자점프로브의 제조 및NIR-II는심층 생물 영상 응용

근적외선 2구역 (NIR-II는，1000-1700 nm) 형광 이미징저조직산란, 저자체 형광의 독특한 우세는 심층 조직의 고해상도 영상 분야에서 거대한 잠재력을 보여주어 생물의학 영상의 중요한 연구 방향이 되었다.그러나 기존NIR-II는형광단 (예를 들어 유기염료, 탄소나노튜브, 희토류 나노결정) 에는 양자 생산률이 낮고 화학 안정성이 떨어지거나 생물 상용성이 부족한 문제가 보편적으로 존재한다;비록 PbS는 양자점 (QD높은 양자 생산율 (최대60%), 그러나 중금속 (Pb²⁺) 독성 누출,S²⁻산화하기 쉬워 초래된 광학 안정성 결함은 생체 영상에서의 응용을 심각하게 제한한다.최근 몇 년 동안,PbS@CdS 핵껍질구조QD통과 CdS는 하우징 층이 초보적으로 개선되었다Pb²⁺문제를 누설하고 SiO는₂와FDA는승인의양친성중합체플루로닉 F-127의 이중 포복 전략은 재료의 화학 안정성과 생물 상용성을 한층 더 협동하여 향상시킬 수 있다——SiO는₂레이어는 산화 및 이온 누출을 억제하기 위한 물리적 차단을 제공합니다.F-127층은 수용성과 항생물 흡착력을 부여하여 구축을 통해 PbS@CdS @시오₂@F-127나노 입자 (NPs는), 돌파 전망NIR-II는형광 프로브“고휘도-고안정-저독성 " 고루 돌보기 어려운 병목 현상은 뇌혈관, 위장관 등 심층 조직 영상에 새로운 방안을 제공한다.

이 연구에서는 반상 마이크로 유액법, 표면 접합 변성 및 초음파 분산 공정 제조 목표량을 채택했다하위 점 및 투과 전자 현미경 결합 (TEM은), 동적 광 산란(DLS는), 안정 상태/순식간 형광 스펙트럼, 원자 흡수 스펙트럼(AAS는) 및 InGaAs는 카메라 이미징 시스템, 시스템 공개 PbS@CdS @시오₂@F-127 NP의 본징은 광학적 특성, 화학적 안정성 및 생물학적 영상 성능으로 높은 양자 생산율(~5.79%, 대부분의 기존NIR-II는형광단), 폭pH범위 화학적 안정성 (pH 1 ~ 13안24 시간형광 변화<30%), 낮은 체내외 독성 (UMUC3세포 10 μg의/ mL농도에서 생존율> 90%), 그리고 초고속 체내 제거 (위장 관개 후4.5 시간배설물과 함께 배출) 등의 장점;이러한 성능 향상은 SiO는₂-F-127이중 구조의 협동 작용——SiO는₂하우징은 산소와 물을 물리적으로 차단해서 억제한다QD산화,F-127의PEG는체인 세그먼트는 단백질의 흡착을 낮추고 수용성을 향상시키며, 양자가 형성된 치밀한 포복은레이어 유효차단Pb²⁺/Cd²⁺누설, 동시에n유형QD포복층과의 인터페이스 상호작용으로 형광 발사 특성을 최적화했다.(참고문헌:Zebibula는등,Adv.기능어머니, 32: 2200386 (2022)）

그림3. 같은 쥐의 뇌혈관을 다른 깊이에서 찍었어요.NIR-II는형광 이미지

실험 결과 단층 을 효과적으로 확인하였다 CdS는 셸 쌍 PbS는 핵의 보호 기능 (감소Pb²⁺누출률) 및 SiO는₂-F-127이중 포복의 화학 안정성 향상 효과는 PbS@CdS @시오₂@F-127 NPNIR-II는이미지 성능: 발사 피크는1155 nm의(적합NIR-IIa 저산란 창), 쥐 뇌혈관 영상에서 구현 950 μm 심층적인 혈관 네트워크가 선명하게 시각화되어3D이미지를 재구성하면 연뇌막 모세혈관을 분별할 수 있습니다.위장관 영상에서, 80 μg의/ kg적은 용량으로 위를 주입하면 바로 실현할 수 있다3-5 mm깊은 소화기관 동적 추적 (10 분위 윤곽선、4.5 시간대장에 도달하여 분뇨를 따라 배출),7D후체 내에 잔류가 없다.동시에 이러한 결과는 프로브의 실험 매개변수 선택을 직접 안내합니다. 자극 파장은785nm(일치 PbS@CdSQD높은 자극 효율), 이미징 검사 창 잠금1100-1700의 nm(자극광 잡산광 필터링);여기서, 다름pH조건에서의 형광강도변화도감은 이중포복의 화학안정성에 직접적인 광학증거를 제공하였고 생체영상중의 형광신호동태진화 (예를 들면 뇌혈관혈류파동, 위장관탐침이동궤적) 는 이 량자점이 심층조직동태감측에서의 신뢰성을 한층 더 검증하였다.

3. 생체상용 수용성 단파 적외선(SWIR) 발사화정자형광탐지기의 합성과 생체 유방암 다차원도분자이미징 애플리케이션

단파 적외선 (SWIR，900-1400 nm) 이미지 기반저조직산란, 저자체 형광의 독특한 우세는 심층 조직 생물 분자 시각화 분야에서 거대한 응용 잠재력을 보여주며, 특히 유방암 등 실체 종양의 정확한 영상에 새로운 방향을 제공한다.그러나 현재 임상 및 과학 연구에서 사용 가능한SWIR형광 프로브의 현저한 한계: 경FDA는승인된 근적외선 (NIR) 탐침 인돌정자녹색 (ICG는), 까지 확장할 수 있지만SWIR주파수 대역 발사, 그러나 자극 파장은 제한됨800 nm다음은 단색 영상만 지원하여 다중 표적 동시 모니터링 수요를 만족시킬 수 없다;기타SWIR형광단 (예: 탄소 나노튜브, 양자점) 은 생물 상용성이 떨어지거나 수용성이 부족하거나 합성이 복잡한 문제에 직면해 있다.최근 몇 년간ICG는의 π-멍에 확장 꽃정자류염료는 구조조절성이 강하고 생물안전성이 높아 주목을 받고있는데 그중에서도ICG-C9는와ICG-C11은증가를 통해갑천 사슬더블 키 수 (분리 비율ICG는많은 1 개、2 개2키), 발사 파장 빨간색 이동SWIR코어 대역 및 의존성ICG는모핵의 생물 상용성 기초는 표면 수식을 통해 수용성 최적화를 실현할 수 있다.구축을 통해ICG / ICG-C9 / ICG-C11기탐침과 항체, 멸망표지물 또는 항암약물의 우연물은 협동할수 있다SWIR영상 우세와 표적 식별 능력은 유방암 표면 수체, 종양 혈관 및 사망 과정의 다차원 해석을 실현한다.SWIR분자 영상의 임상 전환은 새로운 사고방식을 제공한다.(참고문헌:Mahadeva 등,ACS 애플.어머니인터페이스.,16, 17253−17266(2024).）

그림4. 인돌정자녹색 (ICG는）、ICG-C9는와ICG-C11은광학적 특성증후군은 흡수 스펙트럼, 형광 스펙트럼,형광 발사 피크와 양자 생산율형광 방출 수명

이 연구에서 유기합성, 안정 상태를 채택하다/순식간 스펙트럼 표징 및 생체 영상 기술, 시스템 제시ICG-C9/ICG-C11의탐침의 본징 광학 특성과 생물 영상 성능은 정확성을 가지고 있음을 발견하였다.SWIR주파수 대역 발사(수상1% BSA중,ICG-C9는발사922nm、ICG-C11은발사1050 nm), 우수한 생체 적합성 (HeLa는세포 10 μM농도에서 생존율> 90%, 체내 4 주간 신장기능 지표 양호) 및 안정적인 이미징 기능 (1% BSA중간 레이저 조사60 분광표백율< 30%), 이러한 성능 향상은 π-공액 확장에 따른 파장 홍조 효과,BSA는프로브와의 복합작용으로 안정성 강화 및 꽃정자모핵이 물려받았어ICG는生物安全性。

실험 결과가 유효하게 확인되었다ICG-C9/ICG-C11의의 π-공액 확장 구조와SWIR발사 특성의 연관 (증가될 때마다 1 개더블 키, 발사 파장 빨간색 이동~100nm), 및NHS는에스테르, 말레이아세틸아민, 아세틸렌탄화수소 등 3가지 표기시약과 항체(Herceptin은、Erbitux는）、부분 V, 항암제Kadcyla는이러한 종류의 프로브 다색 기능을 제공하는 고효율 짝짓기 기능SWIR이미지 적응성 —— 통과785nm（ICG는）、905nm（ICG-C9는）、975 nm（ICG-C11은) 차별화 자극 및 해당 대역 필터 (900±25 nm、1000±25 nm、1100±25 nm), 유선암HER2/EGFR는수체와 종양 혈관의 3색 동시 영상;이와 동시에 이 결과는 쇠망성상의 탐침조합선택도 직접 지도해주었다 (ICG-Kadcyla는와ICG-C9/IC11-annexin V) 및 장기 모니터링을 위한 파장 매개변수(ICG-C9-카드실라채택905nm자극,> 1000 nm탐지).그 중 안정적 흡수/형광 스펙트럼은 탐침을 실증하였다.-생물 분자 우연 후의 광학 특성 보존, 순식간 형광분해커브 (ICG-C9는수명2.7의 ns、ICG-C11은수명7.1의) 은 (는)SWIR신호의 시간 분별 식별은 필요한 광학적 증거를 제공하고, 생체 영상의 신호 분포는 탐침의 표적성을 검증한다.