介紹

紐約市紀念斯隆凱特琳癌癥中心的主要研究領域之一是開發納米級傳感器以在早期階段檢測癌癥。Daniel Heller 博士領導的研究小組使用具有獨特光學特性的新型納米材料，可以更輕松地識別體內疾病生物標志物，從而可以在癥狀出現之前進行檢測。這些納米技術還可以測量活細胞和組織內的重要分子，提供加速生物醫學研究的新工具。

在光譜的近紅外 (NIR)區域工作具有多種優勢，例如能夠避開不需要的熒光背景并更深入地探測樣品表面。在過去幾年中，采用砷化銦鎵 (InGaAs) 焦平面陣列 (FPA) 的深冷相機的出現提高了各種近紅外光譜和成像技術在低光科學應用中的實用性 。

當這種類型的科學相機與采用創新施密特-車爾尼特納 (SCT) 設計的新型色散光譜儀配合使用時，對研究人員會更有幫助。高精度 SCT 光譜儀大大減少了光學像差，在整個焦平面上提供具有卓越空間分辨率的清晰圖像，并使研究人員能夠利用 FPA 傳感器的完整二維來獲取圖像。

Heller 博士在紐約的研究小組已成功使用此類光色散和檢測工具進行新穎的實驗，研究光致發光(PL) 單壁碳納米管 (SWCNT) 的特性，這最終可能導致新型光學探針的開發以及用于生物物理測量和生物醫學應用的傳感器[4-6]。本應用說明將介紹該小組工作的一些亮點以及先進 SCT 攝譜儀和深冷 InGaAs FPA 相機所發揮的不可或缺的作用。

實驗設置示例

Heller 博士的研究小組近年來對單壁碳納米管進行了多項 PL 光譜研究。本說明將重點介紹其中三項研究。

第一項研究于 2014 年報道，涉及用多種功能涂層(聚合物)封裝單壁碳納米管，這些功能涂層在碳納米管上表現出有序的表面覆蓋，并允許系統地調節納米管光學特性 。在第二項研究中，研究人員利用半導體單壁碳納米管的固有近紅外發射來光學重建碳納米管在三維體積內的定位，從而解決了兩種不同多細胞腫瘤球體的相對滲透性[5]。最后，在第三項研究中，研究了單壁碳納米管發射能量對溶液離子勢的響應，并觀察到納米管對細胞表面靜電勢的響應由膜蛋白介導。

盡管每項單壁碳納米管研究都需要實施不同的實驗方案，但這三項研究都使用了下一代普林斯頓儀器IsoPlane?-320 攝譜儀和深冷普林斯頓儀器NIRvana? InGaAs FPA 相機來執行近紅外光致發光光譜。例如，在研究 #3 中，研究人員將 IsoPlane 和 NIRvana 集成到他們自己的定制設備中，以實現活體真核細胞上納米管的 PL 激發/發射光譜(見圖 1)。

圖 1：活細胞上納米管近紅外光致發光光譜的二維激發/發射裝置示意圖。圖表由紐約紀念斯隆凱特琳癌癥中心的 Daniel Heller 博士提供。首次發表于 D. Roxbury、PV Jena、Y. Shamay、CP Horoszko 和 DA Heller，“細胞膜蛋白通過表面電荷積累調節碳納米管光學帶隙”，ACS Nano 10, 499–506 (2016)。

當使用圖 1 所示的實驗裝置研究 SWCNT 發射能量對溶液離子勢的響應(研究 #3)時，使用與可變帶通濾波器耦合的超連續譜光源來激發樣品，以便將激發從 500 nm 調整到 827 nm帶寬為 20 nm。光通過 50X 物鏡注入倒置熒光顯微鏡。使用相同的物鏡收集所得的 NIR 發射并將其引導至 IsoPlane 攝譜儀，該攝譜儀與 NIRvana 相機耦合(熱電冷卻 InGaAs 陣列：640 x 512 像素;像素尺寸：20 x 20 μm;量子效率：>85 % 在 0.9–1.7 μm 范圍內)。

為了對研究 #3 進行激發/發射測量，激發從 500 nm 變化到 827 nm，步長為 3 nm。在每個激發波長下，曝光時間為 0.5–3.0 秒，使用刻劃光柵(86 條槽/毫米)分散 930 至 1370 nm 的發射光。對激發功率(在樣品上測量的 5-30 mW)以及光柵和檢測器效率的波長相關變化進行了校正。該系統自動用 109 個不同的激發帶照射樣品，并收集溶液中或與細胞單層接觸的碳納米管的光譜，在 0.5-5 分鐘內生成完整的光致發光圖。

數據與結果

研究#1(聚合物涂層單壁碳納米管)：在本研究中，利用無像散 IsoPlane 攝譜儀和深冷 InGaAs 相機對聚碳二亞胺?單壁碳納米管進行 PL 激發/發射測量。激發波長在 491 至 824 nm 之間變化，發射波長在 915 至 1354 nm 之間變化(見圖 2)。

圖 2：聚碳二亞胺?SWCNT 在 659 nm 處激發的近紅外發射光譜(上);

從聚碳二亞胺-SWCNT 和表面活性劑懸浮的 SWCNT 的光致發光激發/發射曲線中收集的納米管發射峰的中心波長。數據由紐約紀念斯隆凱特琳癌癥中心的 Daniel Heller 博士提供。首次發表于 J. Budhathoki-Uprety、PV Jena、D. Roxbury 和 DA Heller，“碳納米管的螺旋聚碳二亞胺隱形能夠實現納米管間激子能量轉移調制”，J. Am。化學。蘇克。136(44)，15545–15550(2014)。

研究人員報道了通過封裝在螺旋聚碳二亞胺中對單壁碳納米管進行非共價官能化，形成水溶性、分散良好的聚合物-納米管復合物，具有近紅外發射功能，在環境條件下穩定。該聚合物促進了納米管熒光的強度調制，并實現了單獨封裝的納米管之間的納米管間激子能量轉移。這是由于封裝聚合物之間的庫侖吸引力而在納米管之間自發產生激子能量轉移的第一個實例，并且它表現出定向可逆性。這一發現預示著動態過程的測量以及可切換分子探針和傳感器的潛在機制。

研究#2(腫瘤滲透性)：這里，利用單壁碳納米管固有的近紅外熒光來研究多細胞腫瘤球體的滲透性。Teledyne Princeton Instruments IsoPlane 攝譜儀和 InGaAs 相機用于對表面活性劑-脫氧膽酸鈉-SWCNT 進行激發/發射測量(見圖 3)。

圖 3：每個納米管手性標記的光致發光激發/發射圖。用 730 nm 激發照射的樣品的發射光。數據由紐約紀念斯隆凱特琳癌癥中心的 Daniel Heller 博士提供。首次發表于 PV Jena、Y. Shamay、J. Shah、D. Roxbury、N. Paknejad 和 DA Heller，“光致發光碳納米管詢問多細胞腫瘤球體的滲透性”，Carbon 97, 99–109 (2016)。

該研究小組報告開發了小鼠肝癌細胞的腫瘤球體模型。將這些腫瘤球體與在低粘附條件下形成球體的乳腺癌細胞系進行比較。活細胞中的寬場近紅外熒光顯微鏡在空間上解析了與多細胞腫瘤球體相關的納米管的位置。研究人員發現，納米管在一種類型的球體(肝癌)中幾乎沒有滲透，但滲透到另一種球體(乳腺癌)的中心。因此，該小組有效地提出了使用近紅外熒光單壁碳納米管作為一種經過驗證的定性方法來詢問活腫瘤球體的滲透性。

研究#3(活細胞膜)：在這項研究中，利用攝譜儀和 InGaAs 相機對與活細胞膜相關的 SWCNT 進行激發/發射光譜分析(見圖 4)。正如“實驗設置示例”部分中提到的，激發波長從 500 nm 變化到 827 nm，步長為 3 nm。在每個激發波長下，曝光時間為 0.5-3.0 秒，930 至 1370 nm 的發射使用具有 86 個凹槽/毫米的刻劃光柵進行色散。

圖 4：活 HeLa 細胞膜上納米管的光致發光二維激發/發射圖。數據由紐約紀念斯隆凱特琳癌癥中心的 Daniel Heller 博士提供。首次發表于 D. Roxbury、PV Jena、Y. Shamay、CP Horoszko 和 DA Heller，“細胞膜蛋白通過表面電荷積累調節碳納米管光學帶隙”，ACS Nano 10, 499–506 (2016)。

研究人員發現，納米管光子發射能量對細胞表面蛋白介導的電荷積累作出反應，并且納米管光子發射能量與細胞粘附到基質的程度以及全細胞 zeta 電位相關。他們斷言，通過將離子電荷引入納米管的局部環境，可以在體外重現細胞表面的光致發光反應。研究小組還提出了一種通過電荷密度調制納米管光致發光的機制在活細胞表面。這項研究表明，納米管光學帶隙調制可以通過納米管表面上的離子或聚電解質電荷積累來介導。這些發現預示著一種納米級工具，可用于生物醫學應用中活細胞膜上靜電電荷積累的光學定量。

使能技術

上述研究依賴于 Teledyne Princeton Instruments 屢獲殊榮的IsoPlane-320 攝譜儀(見圖 5)。這種高精度儀器獨特的光學設計完全消除了所有波長和焦平面上所有點的場像散。昏迷降低到可以忽略不計的水平。光學像差的減少可顯著提高信噪比 (SNR) 和卓越的圖像質量。IsoPlane 攝譜儀具有 320 或 160 毫米焦距和三位同軸光柵轉塔。

圖 5：Teledyne Princeton Instruments IsoPlane-320 攝譜儀

除了 IsoPlane-320 攝譜儀之外，Heller 博士的團隊還利用 Princeton Instruments 的近紅外敏感 InGaAs FPA 相機來進行本文重點介紹的研究。這款相機NIRvana:640(見圖 6)通過許多科學性能特點與其他 InGaAs 相機區分開來，包括深度冷卻、低暗噪聲、高線性度、低讀取噪聲、高幀速率、智能軟件和精確控制積分時間。

圖 6：Teledyne Princeton Instruments NIRvana 640 InGaAs 相機

首先也是最重要的是，可以采用免維護熱電冷卻或液氮將 NIRvana 的二維 640 x 512 InGaAs FPA 探測器分別冷卻至 -85°C 或 -190°C。專有的冷屏蔽設計和真空技術有助于盡可能降低暗噪聲，這有助于提高靈敏度并在長時間曝光時保持信噪比。

熱電冷卻 NIRvana 相機的曝光時間為 2 微秒至數分鐘，而液氮冷卻 NIRvana 相機的曝光時間范圍為 100 微秒至 1 小時。超低噪聲讀出電子器件有助于確保良好的信噪比，即使相機以其最大全幀讀出速率運行(即，熱電冷卻 NIRvana 為 110 全幀每秒;液氮冷卻 NIRvana 為 2.77 全幀每秒)。出色的系統線性意味著每臺 NIRvana 相機對于科學研究來說都高度可靠。

此外，Princeton Instruments 的 64 位LightField?數據采集軟件(作為選件提供)提供了功能強大且易于使用的界面，使研究人員能夠輕松實現實時在線處理功能。NIRvana 相機可以使用可用的National Instruments LabVIEW?工具包集成到更大的實驗中。提供全面的觸發支持以與外部設備同步。

審核編輯 黃宇