本期為科研黨推薦一款InGaAs芯片材料的C-Red 2相機，該相機具有高靈敏度、高量子效率、低噪聲等優勢，且芯片的制冷溫度可達-40℃，有效降低了暗電流，成為紅外Ⅱ區熒光成像的理想選擇。
紅外Ⅱ區活體成像
體內分子成像在臨床前動物模型中是深入理解生理機制的關鍵技術。在過去幾十年中，第一個生物窗口（紅外Ⅰ區，700-900nm）的熒光成像已廣泛應用于此領域。由于紅外Ⅰ區較低的吸收和散射特性，其穿透力優于可見光（見圖1（A））。然而，對于超過幾毫米深度的信號，圖像的分辨率和靈敏度較差，主要是因為熒光激發波長（通常為700nm）在該范圍內的穿透性較差。
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發射光譜在紅外II區的熒光染劑可以用具有最佳穿透力的紅外Ⅰ區的波長激發（見圖1（B））
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散射和吸收在第二個生物窗口相對更弱（見圖1（A））
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生物組織自發熒光較弱，這使得信號相對于背景信號的信噪比大幅提升
因此，紅外Ⅱ區成像（1000-1700nm）相較于可見光或紅外Ⅰ區熒光，具有更出色的空間分辨率、穿透深度和對比度。隨著這些優勢的逐步顯現，紅外Ⅱ區成像正成為臨床前[1,4]和臨床[5]研究中的關鍵技術之一。
圖1-（A）生物組織中的光學窗口。在第一和第二紅外窗口中，血液和組織的吸收和散射被最小化，從而使光更容易穿透。（B）在第一和第二窗口中成像的穿透光譜
研究表明，紅外Ⅰ區成像中使用的部分造影劑在紅外Ⅱ區的光譜范圍內也具有可用的發射光譜尾端（見圖2（B））。吲哚菁綠（ICG）是一種生物兼容且經過FDA批準的造影劑，廣泛應用于紅外Ⅰ區和紅外Ⅱ區的熒光成像中[6,7]。
然而，傳統的硅基相機在可見光和紅外Ⅰ區成像時表現良好，但在紅外Ⅱ區的光譜范圍內并不敏感（見圖2（A））。因此，進行紅外Ⅱ區成像通常需要采用基于InGaAs傳感器的相機，這類相機在短波紅外區域（900-1700nm）具有較高的靈敏度。C-Red 2便是由First Light Imaging開發的一款640x512像素的InGaAs陣列相機，它將紅外Ⅱ區的高靈敏度與高幀率相結合，能夠實現高靈敏度的動態成像。
圖2-（A）基于硅（Si）和銦鎵砷（InGaAs）傳感器的典型相機的靈敏度曲線?；贗nGaAs的傳感器最適合在第二生物窗口中成像。（B） 吲哚菁綠的熒光激發發射譜
利用C-Red2進行紅外Ⅱ區成像
紅外臨床前成像儀
小動物成像實驗裝置，主要元件是用于樣本（小鼠）的載物臺、用于熒光激發的激光源和成像設備，成像設備包括物鏡、一組發射濾光片和用于檢測熒光的相機。對于下文所述的結果，C-Red 2相機安裝在現有的短波紅外成像裝置中。808nm激光器，提供120mW/cm2的照明，高通短波紅外濾光片。臨床前成像設備由OPTIMAL Grenoble建立。
圖3-實驗中使用的成像系統
動物模型和方法
將一只六周大的雌性裸鼠（Janvier Labs）麻醉，并在尾部靜脈注射500µmol/L的ICG。注射后t0至t+40s拍攝視頻。然后，采集了耳朵注射后15分鐘的放大圖像以及ICG在耳朵中的生物分布的延時圖。
實驗結果
靜脈注射ICG后，對小鼠全身進行體內紅外II區成像提供了ICG在所有器官中的生物分布圖。后肢脈管系統、器官、血管系統和股血管清晰可見。請注意，圖像的低自發熒光和高對比度。下圖突出顯示了一些關鍵器官。采集參數為：10ms積分時間、100FPS、高增益、CDS模式。為提高對比度，進行灰值反轉，未做其他圖像處理。
圖4-紅外Ⅱ區小鼠全身的熒光體內成像。血管網絡以高對比度看到。灰值反轉和自動縮放對比度
下圖集中拍攝小鼠腹部，突出了系統在對比度和分辨率方面的性能。輪廓上圖片的窄度說明了血管的高空間分辨率，而圖片的信噪比說明了信號與背景的比率。
圖5小鼠全身的紅外Ⅱ區熒光圖像（左）和沿紫色虛線的橫截面熒光強度分布（右）
使用更高放大倍數的鏡頭可以獲取特定感興趣區域的更詳細視圖。以下展示的是耳朵脈管系統的示例。采集參數包括：500ms的積分時間、2FPS的幀率、高增益以及CDS模式。為了提高對比度，進行了灰值反轉，未進行其他圖像處理。值得注意的是，高信噪比和信號背景比可以使皮膚和皮下血管顯現出來。
例如，在制藥應用中，這種技術可以實現非侵入性的研究由敏感材料誘導的血管反應，提供更加精準和清晰成像結果。
圖6-紅外Ⅱ區外耳脈管系統的熒光體內成像
C-Red 2相機的增益和偏差實時校正功能，使高質量圖像能夠實時可視化?？梢跃_地研究熒光標記的生物分布。
為什么選擇C-Red 2
易于集成。相機底部、側面或正面有安裝螺孔，相機可以很容易地集成到系統中，標配C口適配器，可接各種標準C口鏡頭。First Light Vision GUI使C-Red 2成為一款即插即用型相機，多功能SDK，可以與MatLab、LabView等接口連接。
特殊視頻模式。大容量的圖像緩沖區支持長時間的視頻錄制，其特殊功能“直接錄制”允許動態保存圖像并獲取無限長的視頻。
高靈敏度。由于其低讀出噪聲<30e-和優化的暗電流600e-/pix/s（-40°C），C-Red 2非常靈敏，能夠檢測到非常微弱的信號。
針對長曝光時間優化設計。熱電冷卻與空氣（風扇）和水冷卻相結合，相機可冷卻至-40°C。此外，對于長曝光時間，可以優化采集設置。
即時修正。實時執行偏差和增益校正。
簡化實驗。支持最多保存十個預設配置，以便配置之間快速切換。
實時可視化體內微血管系統顯著提高了我們對循環系統（如血管結構、血流等）及相關病理的理解。同時，利用這種技術，還能非侵入性地高精度監測心率、呼吸率等生理參數。這些功能是生物醫學紅外Ⅱ區成像的多種應用之一，其他應用還包括腫瘤可視化和藥物研發等領域。
C-Red 2相機在小動物成像領域表現出色，尤其在高對比度成像方面。能精準捕捉小鼠血管系統的細節，并通過高時間分辨率的視頻繪制生物動力學圖。同時相機具備長曝光、高達600FPS的高幀率和短積分時間，始終輸出高質量圖像，是小動物成像的理想選擇。
參考文獻
1. Zhu, S.; Yung, B. C.; Chandra, S.; Niu, G.; Antaris, A. L.; Chen, X. Near-Infrared-II (NIR-II) Bioimaging via Off-Peak NIR-I Fluorescence Emission. Theranostics 2018, 8 (15), 4141–4151.
2. Bhavane, R.; Starosolski, Z.; Stupin, I.; Ghaghada, K. B.; Annapragada, A. NIR-II Fluorescence Imaging Using Indocyanine Green Nanoparticles. Sci. Rep. 2018, 8 (1), 14455.
3. Smith, A. M.; Mancini, M. C.; Nie, S. Second Window for in Vivo Imaging. Nat. Nanotechnol. 2009, 4 (11), 710–711.
4. Byrd, B. K.; Marois, M.; Tichauer, K. M.; Wirth, D. J.; Hong, J.; Leonor, J. P.; Elliott, J. T.; Paulsen, K. D.; Davis, S. C.First Experience Imaging Short-Wave Infrared Fluorescence in a Large Animal: Indocyanine Green Angiography of a Pig Brain. J. Biomed. Opt. 2019, 24 (08), 1.
5. Hu, Z.; Fang, C.; Li, B.; Zhang, Z.; Cao, C.; Cai, M.; Su, S.; Sun, X.; Shi, X.; Li, C.; Zhou, T.; Zhang, Y.; Chi, C.; He, P.; Xia, X.; Chen, Y.; Gambhir, S. S.; Cheng, Z.; Tian, J. First-in-Human Liver-Tumour Surgery Guided by Multispectral Fluorescence Imaging in the Visible and near-Infrared-I/II Windows. Nat. Biomed. Eng. 2020, 4 (3), 259–271.
6. Starosolski, Z.; Bhavane, R.; Ghaghada, K. B.; Vasudevan, S. A.; Kaay, A.; Annapragada, A. Indocyanine Green Fluorescence in Second Near Infrared (NIR-II)Window.PLOSONE2017,12(11),e0187563.
7. Carr, J. A.; Franke, D.; Caram, J. R.; Perkinson, C. F.; Saif, M.; Askoxylakis, V.; Datta, M.; Fukumura, D.; Jain, R. K.; Bawendi, M. G.; Bruns, O. T. Shortwave Infrared Fluorescence Imaging with the Clinically Approved Near-Infrared Dye IndocyanineGreen.Proc.Natl.Acad.Sci.2018,115(17),4465–4470.
