产品介绍 | C-Red 2相机在红外Ⅱ区小动物活体成像应用

本期为科研党推荐一款InGaAs芯片材料的C-Red 2相机，该相机具有高灵敏度、高量子效率、低噪声等优势，且芯片的制冷温度可达-40℃，有效降低了暗电流，成为红外Ⅱ区荧光成像的理想选择。

体内分子成像在临床前动物模型中是深入理解生理机制的关键技术。在过去几十年中，第一个生物窗口（红外Ⅰ区，700-900nm）的荧光成像已广泛应用于此领域。由于红外Ⅰ区较低的吸收和散射特性，其穿透力优于可见光（见图1（A））。然而，对于超过几毫米深度的信号，图像的分辨率和灵敏度较差，主要是因为荧光激发波长（通常为700nm）在该范围内的穿透性较差。

红外Ⅱ区成像的优势[1-3]：

发射光谱在红外II区的荧光染剂可以用具有最佳穿透力的红外Ⅰ区的波长激发（见图1（B））散射和吸收在第二个生物窗口相对更弱（见图1（A））生物组织自发荧光较弱，这使得信号相对于背景信号的信噪比大幅提升

因此，红外Ⅱ区成像（1000-1700nm）相较于可见光或红外Ⅰ区荧光，具有更出色的空间分辨率、穿透深度和对比度。随着这些优势的逐步显现，红外Ⅱ区成像正成为临床前[1,4]和临床[5]研究中的关键技术之一。

图1-（A）生物组织中的光学窗口。在第一和第二红外窗口中，血液和组织的吸收和散射被最小化，从而使光更容易穿透。（B）在第一和第二窗口中成像的穿透光谱

研究表明，红外Ⅰ区成像中使用的部分造影剂在红外Ⅱ区的光谱范围内也具有可用的发射光谱尾端（见图2（B））。吲哚菁绿（ICG）是一种生物兼容且经过FDA批准的造影剂，广泛应用于红外Ⅰ区和红外Ⅱ区的荧光成像中[6,7]。

然而，传统的硅基相机在可见光和红外Ⅰ区成像时表现良好，但在红外Ⅱ区的光谱范围内并不敏感（见图2（A））。因此，进行红外Ⅱ区成像通常需要采用基于InGaAs传感器的相机，这类相机在短波红外区域（900-1700nm）具有较高的灵敏度。C-Red 2便是由First Light Imaging开发的一款640x512像素的InGaAs阵列相机，它将红外Ⅱ区的高灵敏度与高帧率相结合，能够实现高灵敏度的动态成像。

图2-（A）基于硅（Si）和铟镓砷（InGaAs）传感器的典型相机的灵敏度曲线。基于InGaAs的传感器最适合在第二生物窗口中成像。（B） 吲哚菁绿的荧光激发发射谱

小动物成像实验装置，主要元件是用于样本（小鼠）的载物台、用于荧光激发的激光源和成像设备，成像设备包括物镜、一组发射滤光片和用于检测荧光的相机。对于下文所述的结果，C-Red 2相机安装在现有的短波红外成像装置中。808nm激光器，提供120mW/cm2的照明，高通短波红外滤光片。临床前成像设备由OPTIMAL Grenoble建立。

图3-实验中使用的成像系统

将一只六周大的雌性裸鼠（Janvier Labs）麻醉，并在尾部静脉注射500µmol/L的ICG。注射后t0至t+40s拍摄视频。然后，采集了耳朵注射后15分钟的放大图像以及ICG在耳朵中的生物分布的延时图。

静脉注射ICG后，对小鼠全身进行体内红外II区成像提供了ICG在所有器官中的生物分布图。后肢脉管系统、器官、血管系统和股血管清晰可见。请注意，图像的低自发荧光和高对比度。下图突出显示了一些关键器官。采集参数为：10ms积分时间、100FPS、高增益、CDS模式。为提高对比度，进行灰值反转，未做其他图像处理。

图4-红外Ⅱ区小鼠全身的荧光体内成像。血管网络以高对比度看到。灰值反转和自动缩放对比度

下图集中拍摄小鼠腹部，突出了系统在对比度和分辨率方面的性能。轮廓上图片的窄度说明了血管的高空间分辨率，而图片的信噪比说明了信号与背景的比率。

图5小鼠全身的红外Ⅱ区荧光图像（左）和沿紫色虚线的横截面荧光强度分布（右）

使用更高放大倍数的镜头可以获取特定感兴趣区域的更详细视图。以下展示的是耳朵脉管系统的示例。采集参数包括：500ms的积分时间、2FPS的帧率、高增益以及CDS模式。为了提高对比度，进行了灰值反转，未进行其他图像处理。值得注意的是，高信噪比和信号背景比可以使皮肤和皮下血管显现出来。

例如，在制药应用中，这种技术可以实现非侵入性的研究由敏感材料诱导的血管反应，提供更加精准和清晰成像结果。

图6-红外Ⅱ区外耳脉管系统的荧光体内成像

C-Red 2相机的增益和偏差实时校正功能，使高质量图像能够实时可视化。可以精确地研究荧光标记的生物分布。

为什么选择C-Red 2

易于集成。相机底部、侧面或正面有安装螺孔，相机可以很容易地集成到系统中，标配C口适配器，可接各种标准C口镜头。First Light Vision GUI使C-Red 2成为一款即插即用型相机，多功能SDK，可以与MatLab、LabView等接口连接。

特殊视频模式。大容量的图像缓冲区支持长时间的视频录制，其特殊功能“直接录制”允许动态保存图像并获取无限长的视频。

高灵敏度。由于其低读出噪声<30e-和优化的暗电流600e-/pix/s（-40°C），C-Red 2非常灵敏，能够检测到非常微弱的信号。

针对长曝光时间优化设计。热电冷却与空气（风扇）和水冷却相结合，相机可冷却至-40°C。此外，对于长曝光时间，可以优化采集设置。

即时修正。实时执行偏差和增益校正。

简化实验。支持最多保存十个预设配置，以便配置之间快速切换。

实时可视化体内微血管系统显著提高了我们对循环系统（如血管结构、血流等）及相关病理的理解。同时，利用这种技术，还能非侵入性地高精度监测心率、呼吸率等生理参数。这些功能是生物医学红外Ⅱ区成像的多种应用之一，其他应用还包括肿瘤可视化和药物研发等领域。

C-Red 2相机在小动物成像领域表现出色，尤其在高对比度成像方面。能精准捕捉小鼠血管系统的细节，并通过高时间分辨率的视频绘制生物动力学图。同时相机具备长曝光、高达600FPS的高帧率和短积分时间，始终输出高质量图像，是小动物成像的理想选择。

参考文献
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. 
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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.