專利名稱：基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換活體成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于分子影像學(xué)光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換活體成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
熒光成像技術(shù)利用熒光探針標(biāo)記觀察對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)觀察對(duì)象高選擇性地成像。此外熒光成像還具有非離子低能量輻射、高敏感性、可連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，是一種能在亞細(xì)胞層次觀察的可視化方法。隨著用于標(biāo)記各種生物分子和離子的熒光探針的研發(fā)，以及激光掃描共聚焦熒光顯微技術(shù)的出現(xiàn)，研究人員可以對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行三維成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)微細(xì)結(jié)構(gòu)和分子的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行定性、定量、定時(shí)和定位分析，熒光成像技術(shù)已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要研究手段。另一方面，光學(xué)鏡頭、濾光片、激光器制造技術(shù)的提高，光纖技術(shù)的發(fā)展，以及成像軟件的進(jìn)步使熒光成像技術(shù)已從傳統(tǒng)的顯微成像發(fā)展到活體成·像。但在熒光成像過(guò)程中，在受到激發(fā)光激發(fā)時(shí)，生物體很多物質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生熒光，同時(shí)又難以避免生物組織的光散射和吸收，因此受到熒光特性的限制，很難完全消除背景噪音(自發(fā)熒光)，從而大大降低了成像的分辨率和靈敏度。上轉(zhuǎn)換發(fā)光即吸收兩個(gè)或兩個(gè)以上低能量的光子而輻射一個(gè)高能量的光子，特別是稀土上轉(zhuǎn)化發(fā)光納米材料能夠吸收兩個(gè)或者多個(gè)低能量的光子(近紅外光或者紅外光)而發(fā)射出一個(gè)高能量的光子(紫外光或者可見(jiàn)光)。由于生物樣品內(nèi)源性的熒光物質(zhì)不能夠發(fā)生上轉(zhuǎn)換的過(guò)程，使用這類材料可以完全消除生物樣品自發(fā)熒光的干擾。近年來(lái)稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料在生物成像應(yīng)用上取得了一系列的進(jìn)展和關(guān)注，這類稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料用于生物成像中可以完全消除生物樣品的自發(fā)熒光并擁有較好的穿透深度。但是此類材料受限于稀土離子其低的吸收截面(約為10_21)和量子產(chǎn)率(< 1% )，而且這類稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料需要近紅外980nm激光激發(fā)，在用于動(dòng)物活體成像時(shí)，相對(duì)較高的激光功率(IO2 103mW cm_2)會(huì)導(dǎo)致生物樣品的福照部位出現(xiàn)過(guò)熱效應(yīng)。近年來(lái)，基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅(TTA)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料引起了人們廣泛的關(guān)注和研究。該類材料具有吸收截面大(約為10_18)激發(fā)功率密度低(mW/cm—2)，量子產(chǎn)率高(可達(dá)到15% )，敏化劑和受體(湮滅劑)可選擇空間大以及上轉(zhuǎn)換效率高等突出優(yōu)點(diǎn)。TTA上轉(zhuǎn)換發(fā)光的過(guò)程是敏化劑受激于一個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)低能量的激發(fā)光光子后從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，立刻通過(guò)系間竄越(ISC)到達(dá)激發(fā)三線態(tài)；再通過(guò)敏化劑三線態(tài)與受體(Acceptor)三線態(tài)間的能量傳遞(TTET)到達(dá)受體的激發(fā)三線態(tài)；隨后，兩個(gè)受激的受體分子間發(fā)生三線態(tài)-三線態(tài)湮滅(TTA)，使一個(gè)受體被激發(fā)到能量更高的單線態(tài)，最終通過(guò)輻射躍遷回到基態(tài)實(shí)現(xiàn)短波長(zhǎng)的發(fā)射，完成上轉(zhuǎn)換發(fā)光過(guò)程(圖I)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換發(fā)光小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)能直接對(duì)標(biāo)記上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的材料的活體(小鼠)進(jìn)行實(shí)時(shí)、安全的成像，能夠直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)的細(xì)胞活動(dòng)和基因行為。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，還可以觀測(cè)活體動(dòng)物體內(nèi)感染性疾病發(fā)展過(guò)程、特定基因的表達(dá)等生物學(xué)過(guò)程。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換發(fā)光小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)，包括激光激發(fā)光源，光導(dǎo)纖維，成像暗箱，以及分別加裝了發(fā)射濾光片和激發(fā)光截止(短通濾光片)濾光片的EMCCD檢測(cè)器和鏡頭，其特征在于將半導(dǎo)體激光器I (中心波長(zhǎng)為500-1000nm)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)激光束通過(guò)光纖2導(dǎo)入成像暗箱3中，沿該激光束前進(jìn)方向上依次放置擴(kuò)束透鏡10、光束整形鏡11，在沿該激光束側(cè)下方放置樣品臺(tái)8，同軸地在該樣品臺(tái)8上方依次放置有短通濾光片7，鏡頭6，發(fā)射濾光片5和EMCXD檢測(cè)器4，計(jì)算機(jī)9與EMCXD檢測(cè)器4連接，實(shí)現(xiàn)圖像存儲(chǔ)及掃描控制，短通濾光片7的作用是對(duì)激發(fā)光進(jìn)行截止濾光。本實(shí)用新型能直接對(duì)具有穩(wěn)態(tài)激光上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的材料進(jìn)行實(shí)時(shí)、安全的活體成像，從而揭示分子水平的活動(dòng)。本實(shí)用新型的工作過(guò)程是半導(dǎo)體激光器(中心波長(zhǎng)為500_1000nm)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束透鏡，變成一束較大的光束，照射在小鼠上，小鼠體內(nèi)具有基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的材料在激光的激發(fā)下發(fā)射沿各方向的上轉(zhuǎn)換發(fā)光，一部分上·轉(zhuǎn)換發(fā)光信號(hào)通過(guò)短通濾光片由鏡頭收集轉(zhuǎn)換成平行光束，再通過(guò)發(fā)射濾光片，一定波長(zhǎng)范圍的信號(hào)被截取，然后被EMCCD檢測(cè)器接收。本實(shí)用新型與已有的活體熒光成像技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1.由于生物樣品內(nèi)源性熒光物質(zhì)和常用的有機(jī)熒光染料不具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光的性質(zhì)，因此本實(shí)用新型消除了生物樣品自發(fā)熒光和有機(jī)熒光染料發(fā)光等背景熒光的干擾，是一種高靈敏度的成像技術(shù)。2.由于此類的上轉(zhuǎn)換材料的量子產(chǎn)率比較高，與現(xiàn)有的稀土上轉(zhuǎn)換材料來(lái)比較，需要較低的激發(fā)功率即可實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換活體成像。3.本實(shí)用新型采用半導(dǎo)體激光器作為激發(fā)光源，和雙光子熒光探針采用的飛秒激光器相比，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，價(jià)格低廉，因此本實(shí)用新型易于推廣普及。該系統(tǒng)能對(duì)標(biāo)記基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的材料的活體(小鼠)進(jìn)行實(shí)時(shí)、安全的成像，能夠直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)的細(xì)胞活動(dòng)和基因行為。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，可以觀測(cè)活體動(dòng)物體內(nèi)、感染性疾病發(fā)展過(guò)程、特定基因的表達(dá)等生物學(xué)過(guò)程。

圖I :三線態(tài)-三線態(tài)湮滅過(guò)程的能階圖示意圖。圖2 :上轉(zhuǎn)換發(fā)光活體成像系統(tǒng)不意圖；圖中標(biāo)識(shí)1激光器，2光纖,3暗箱，4EMCXD檢測(cè)器，5發(fā)射濾光片，6鏡頭，7短通濾光片，8樣品臺(tái)，9計(jì)算機(jī)，10擴(kuò)束透鏡，11光束整形鏡。
具體實(shí)施方式
下面根據(jù)圖2給出本實(shí)用新型的一個(gè)較好的實(shí)施例，用以說(shuō)明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)特征和功能特點(diǎn)，而不是用來(lái)限定本實(shí)用新型的范圍。如圖2所示，本實(shí)施例中，I激光器，2光纖，3暗箱，4EMCCD檢測(cè)器，5發(fā)射濾光片，6鏡頭，7短通濾光片，8樣品臺(tái)，9計(jì)算機(jī)，10擴(kuò)束透鏡，11光束整形鏡等依次成光路聯(lián)結(jié)。通過(guò)短通濾光片7選擇一定波長(zhǎng)范圍的信號(hào)由EMCXD 4接收，計(jì)算機(jī)9與EMCXD檢測(cè)器4連接，實(shí)現(xiàn)圖像存儲(chǔ)及掃描控制。此外，通過(guò)步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)樣品臺(tái)8沿Z軸移動(dòng)。本實(shí)施例中，檢測(cè)器是Andor DU897EMCCD,圖像存儲(chǔ)、分析軟件為Kodak Molecular ImagingSoftware。本實(shí)施例的工作過(guò)程是半導(dǎo)體激光器I (波長(zhǎng)為500_1000nm)發(fā)出的光束從左右兩側(cè)上方照射在活體小動(dòng)物上，小動(dòng)物體內(nèi)具有基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的材料在激光的激發(fā)下發(fā)射沿各個(gè)方向的上轉(zhuǎn)換發(fā)光，一部分上轉(zhuǎn)換發(fā)光信號(hào)通過(guò)短通濾光片7被鏡頭6收集，再EMCXD檢測(cè)器4接收。然后通過(guò)計(jì)算機(jī)9進(jìn)行圖像處理。利用本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例獲得的三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料通過(guò)尾靜脈注射到昆明小鼠體內(nèi)24小時(shí)后小鼠的成像圖片，無(wú)論是在活體中或是解剖后均成像明顯。利用本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例獲得的基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料通過(guò)小鼠的手掌皮下注射，30分鐘后小鼠的成像圖片，無(wú)論是在活體中或是解剖后的體外均成像明顯?！?br> 權(quán)利要求1. 一種基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換活體成像系統(tǒng)，包括激光激發(fā)光源，光導(dǎo)纖維，成像暗箱，以及分別加裝了發(fā)射濾光片和短通濾光片的EMCCD檢測(cè)器和鏡頭，其特征在于將中心波長(zhǎng)為500-1000nm的半導(dǎo)體激光器(I)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)激光束通過(guò)光纖(2)導(dǎo)入成像暗箱(3)中，沿該激光束前進(jìn)方向上依次放置擴(kuò)束透鏡(10)、光束整形鏡(11)，在沿該激光束側(cè)下方放置樣品臺(tái)(8)，同軸地在該樣品臺(tái)(8)上方依次放置有短通濾光片(7)，鏡頭(6)，發(fā)射濾光片(5)和EMCCD檢測(cè)器(4)，計(jì)算機(jī)(9)與EMCCD檢測(cè)器(4)連接，實(shí)現(xiàn)圖像存儲(chǔ)及掃描控制。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換活體成像系統(tǒng)，包括半導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)激光光源，光導(dǎo)纖維順序連接，成像暗箱，CCD和鏡頭前分別加裝了發(fā)射濾光片和激發(fā)光源截止濾光片，其特征在于將中心波長(zhǎng)為500-1000nm的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)激光束通過(guò)光纖導(dǎo)入成像暗箱中，沿該激光束前進(jìn)方向上依次放置擴(kuò)束透鏡、光束整形鏡，在沿該激光束側(cè)下方放置樣品臺(tái)，同軸地在該樣品臺(tái)上方依次放置有短通濾光片，鏡頭，發(fā)射濾光片和EMCCD檢測(cè)器，計(jì)算機(jī)與EMCCD連接，實(shí)現(xiàn)圖像存儲(chǔ)及掃描控制。本實(shí)用新型能直接對(duì)具有穩(wěn)態(tài)激光上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的材料進(jìn)行實(shí)時(shí)、安全的活體成像，從而揭示分子水平的活動(dòng)。
文檔編號(hào)A61B5/00GK202751381SQ20122011204
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者李富友, 劉倩, 楊天赦 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)