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)記觀察對象，從而實現(xiàn)了對觀察對象高選擇性地成像。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)實時監(jiān)測等特點，是一種能在亞細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)，研究人員可以對活細胞進行三維成像，實現(xiàn)對細胞內(nèi)微細結(jié)構(gòu)和分子的動態(tài)變化進行定性、定量、定時和定位分析，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。但在熒光成像過程中，在受到激發(fā)光激發(fā)時，生物體很多物質(zhì)都會產(chǎn)生熒光，同時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)光即吸收兩個或兩個以上低能量的光子而輻射一個高能量的光子，特別是稀土上轉(zhuǎn)化發(fā)光納米材料能夠吸收兩個或者多個低能量的光子(近紅外光或者紅外光)而發(fā)射出一個高能量的光子(紫外光或者可見光)。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)，在用于動物活體成像時，相對較高的激光功率(IO2 103mW cm_2)會導(dǎo)致生物樣品的福照部位出現(xiàn)過熱效應(yīng)。近年來，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。TTA上轉(zhuǎn)換發(fā)光的過程是敏化劑受激于一個長波長低能量的激發(fā)光光子后從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，立刻通過系間竄越(ISC)到達激發(fā)三線態(tài)；再通過敏化劑三線態(tài)與受體(Acceptor)三線態(tài)間的能量傳遞(TTET)到達受體的激發(fā)三線態(tài)；隨后，兩個受激的受體分子間發(fā)生三線態(tài)-三線態(tài)湮滅(TTA)，使一個受體被激發(fā)到能量更高的單線態(tài)，最終通過輻射躍遷回到基態(tài)實現(xiàn)短波長的發(fā)射，完成上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程(圖I)。
發(fā)明內(nèi)容本實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)光小動物活體成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)能直接對標(biāo)記上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的材料的活體(小鼠)進行實時、安全的成像，能夠直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)的細胞活動和基因行為。通過這個系統(tǒng)，還可以觀測活體動物體內(nèi)感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達等生物學(xué)過程。本實用新型的技術(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檢測器和鏡頭，其特征在于將半導(dǎo)體激光器I (中心波長為500-1000nm)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)激光束通過光纖2導(dǎo)入成像暗箱3中，沿該激光束前進方向上依次放置擴束透鏡10、光束整形鏡11，在沿該激光束側(cè)下方放置樣品臺8，同軸地在該樣品臺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檢測器4，計算機9與EMCXD檢測器4連接，實現(xiàn)圖像存儲及掃描控制，短通濾光片7的作用是對激發(fā)光進行截止濾光。本實用新型能直接對具有穩(wěn)態(tài)激光上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的材料進行實時、安全的活體成像，從而揭示分子水平的活動。本實用新型的工作過程是半導(dǎo)體激光器(中心波長為500_1000nm)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)激光束經(jīng)過擴束透鏡，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)光信號通過短通濾光片由鏡頭收集轉(zhuǎn)換成平行光束，再通過發(fā)射濾光片，一定波長范圍的信號被截取，然后被EMCCD檢測器接收。本實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1.由于生物樣品內(nèi)源性熒光物質(zhì)和常用的有機熒光染料不具有上轉(zhuǎn)換發(fā)光的性質(zhì)，因此本實用新型消除了生物樣品自發(fā)熒光和有機熒光染料發(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)換材料來比較，需要較低的激發(fā)功率即可實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換活體成像。3.本實用新型采用半導(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)國產(chǎn)化，價格低廉，因此本實用新型易于推廣普及。該系統(tǒng)能對標(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)進行實時、安全的成像，能夠直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)的細胞活動和基因行為。通過這個系統(tǒng)，可以觀測活體動物體內(nèi)、感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達等生物學(xué)過程。

圖I :三線態(tài)-三線態(tài)湮滅過程的能階圖示意圖。圖2 :上轉(zhuǎn)換發(fā)光活體成像系統(tǒng)不意圖；圖中標(biāo)識1激光器，2光纖,3暗箱，4EMCXD檢測器，5發(fā)射濾光片，6鏡頭，7短通濾光片，8樣品臺，9計算機，10擴束透鏡，11光束整形鏡。
具體實施方式
下面根據(jù)圖2給出本實用新型的一個較好的實施例，用以說明本實用新型的結(jié)構(gòu)特征和功能特點，而不是用來限定本實用新型的范圍。如圖2所示，本實施例中，I激光器，2光纖，3暗箱，4EMCCD檢測器，5發(fā)射濾光片，6鏡頭，7短通濾光片，8樣品臺，9計算機，10擴束透鏡，11光束整形鏡等依次成光路聯(lián)結(jié)。通過短通濾光片7選擇一定波長范圍的信號由EMCXD 4接收，計算機9與EMCXD檢測器4連接，實現(xiàn)圖像存儲及掃描控制。此外，通過步進馬達驅(qū)動樣品臺8沿Z軸移動。本實施例中，檢測器是Andor DU897EMCCD,圖像存儲、分析軟件為Kodak Molecular ImagingSoftware。本實施例的工作過程是半導(dǎo)體激光器I (波長為500_1000nm)發(fā)出的光束從左右兩側(cè)上方照射在活體小動物上，小動物體內(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)射沿各個方向的上轉(zhuǎn)換發(fā)光，一部分上轉(zhuǎn)換發(fā)光信號通過短通濾光片7被鏡頭6收集，再EMCXD檢測器4接收。然后通過計算機9進行圖像處理。利用本實用新型的一個實施例獲得的三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料通過尾靜脈注射到昆明小鼠體內(nèi)24小時后小鼠的成像圖片，無論是在活體中或是解剖后均成像明顯。利用本實用新型的一個實施例獲得的基于三線態(tài)-三線態(tài)湮滅的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料通過小鼠的手掌皮下注射，30分鐘后小鼠的成像圖片，無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檢測器和鏡頭，其特征在于將中心波長為500-1000nm的半導(dǎo)體激光器(I)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)激光束通過光纖(2)導(dǎo)入成像暗箱(3)中，沿該激光束前進方向上依次放置擴束透鏡(10)、光束整形鏡(11)，在沿該激光束側(cè)下方放置樣品臺(8)，同軸地在該樣品臺(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檢測器(4)，計算機(9)與EMCCD檢測器(4)連接，實現(xiàn)圖像存儲及掃描控制。
專利摘要本實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為500-1000nm的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)激光束通過光纖導(dǎo)入成像暗箱中，沿該激光束前進方向上依次放置擴束透鏡、光束整形鏡，在沿該激光束側(cè)下方放置樣品臺，同軸地在該樣品臺上方依次放置有短通濾光片，鏡頭，發(fā)射濾光片和EMCCD檢測器，計算機與EMCCD連接，實現(xiàn)圖像存儲及掃描控制。本實用新型能直接對具有穩(wěn)態(tài)激光上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的材料進行實時、安全的活體成像，從而揭示分子水平的活動。
文檔編號A61B5/00GK202751381SQ20122011204
公開日2013年2月27日 申請日期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 申請人:復(fù)旦大學(xué)