倒置熒光顯微鏡應用于多路復用生物標志物光纖光學傳感器研究
【Matter】明美倒置熒光顯微鏡助力四川大學研究多路復用生物標志物光纖光學傳感器論文研究
2022年8月16日，英國帝國理工學院張雨倩、胡余冰博士和Ali K. Yetisen教授團隊與四川大學姜楠研究員團隊合作在Matter上發表一篇題為“Multiplexed optical fiber sensors for dynamic brain monitoring”的研究成果。
該成果報道了一種集成了可編程的AI 預測平臺的多路復用生物標志物光纖光學傳感器。該傳感器能夠實時且連續探測腦脊液中多種生物標志物的水平，并診斷和動態監測顱腦損傷的不同階段。
圖1：用于腦生物標志物檢測的多路復用光纖光學傳感器的示意圖。
為實現以上目標，該研究團隊在Y型光纖的頂端連接四種不同的傳感薄膜，用于同時檢測四種不同的生物標志物（圖 1A）。研究通過在Y型光纖一端連接光源，另一端連接光譜儀進行反射光譜分析，以實現生物標志物濃度的讀取和分析（圖 1B）。為了消除四種傳感器之間的串擾并提供生物標志物的高精度和定量讀數，利用反射光譜的特征開發和優化了基于機器學習的回歸模型。四種光學傳感器是基于熒光和比色的方法，其工作機制是通過傳感膜和生物標志物之間的相互作用來改變薄膜的光物理性質（圖1C-i）。為了實現長期穩定的監測，傳感器被封裝在透明的二氧化硅薄膜中（圖 1C-ii），可避免指示劑滲漏，并保持對生物標志物的高滲透性。四種傳感薄膜被切割成1/4 圓形，并放置在光纖頂端上方 4 mm 處，玻璃微纖維制成的反射隔離膜加在傳感膜的表面以增強反射信號，并阻擋背景噪聲。
該研究團隊利用多路復用傳感器對人工腦脊液（aCSF）的pH、腦氧含量（DO）、溫度和葡萄糖進行了同時檢測，測量結果如下。如圖所示，該光纖傳感器在進行多參量同時監測的時候區分pH、DO、溫度和葡萄糖，同時該傳感器具有良好的重復性，可以反復使用。并且，傳感薄膜在不同的生理環境中具有肉眼可見的顏色變化，證實了該傳感器可以有效地檢測aCSF中的生物標志物（圖2）。
圖2：多路復用光纖光學生物傳感器對pH、溫度、腦氧（DO）、葡萄糖傳感檢測結果。
在多參數的實驗中發現該四路信號無法避免的存在了信號干擾和輸出重疊的現象，使得pH、溫度和葡萄糖傳感的敏感性有一定的降低，也難以只利用某單一波長的值對檢測參數進行計算（圖3A）。于是該研究團隊提出了利用機器學習算法來通過所采集到的光譜信息建立四個模型來分別對四種參量進行預測（圖3B）。為了更好的訓練效果，該研究團隊從光譜提取了10個光譜特征來訓練模型，其中包括每個參量的敏感波長對應的強度，還有波峰波谷等特征。為了矯正溫度對氧信號的影響，在模型訓練時，溫度也作為其中一個特征對氧氣模型進行訓練。在比較多種模型效果后，該研究團隊發現利用貝葉斯RIGI回歸算法對四個參量預測效果好。該團隊利用五折交叉驗證方法對模型效果進行了驗證，結果顯示pH、腦氧含量、溫度和葡萄糖預測模型的R2分別達到了0.84、0.93、0.94、0.94（圖3C-F）。
為了進一步檢測該多路復用光纖光學傳感器的有效性和臨床應用效果，該研究團隊用羊腦進行了離體組織驗證。檢測前先對羊腦進行了清洗處理，將其自帶的腦脊液等洗去。然后研究人員仿照實際情況下健康人群、TBI前期、TBI中期和TBI后期的病人腦脊液中pH、腦氧、溫度和葡萄糖的含量配制了相應的aCSF，并把羊腦浸泡在腦脊液中進行疾病的模擬監測。在連續的監測中，該多路復用傳感器可以實現對不同階段腦脊液的測量，成功準確的計算出了這四種生物標志物的含量，而不同階段之間的變化也都能在3分鐘之內檢測出來，可以準確反映出疾病之間不同的階段的切換，進一步證實了該系統具有重要的臨床應用前景（圖3G）。
圖3：基于機器學習模型的體外TBI腦監測模型研究。
圖4：光纖傳感器生物相容性和細胞增殖研究。
（該圖所用顯微鏡為廣州明美Mshot MF53-N倒置熒光顯微鏡）
該研究成果使用到的儀器設備有：倒置熒光顯微鏡MF53-N，采用優異的無限遠消色差獨立校正光學系統，配置長工作距離平場消色差物鏡與大視野目鏡。好的弱熒光成像，采用轉盤式熒光切換方式，可配置UV、V、B、G、Y、R等在內的多種熒光，可觀測DAPI、FITC、TRITC、Alexa Fluor系列、Cy3系列等常見熒光染料，在CTC檢測、FRET、細胞免疫等領域應用廣泛。
01先進的模塊化設計
配備6孔熒光附件
配備6孔熒光附件，更換拆卸便捷，采用轉盤式結構設計，切換方便，能同時滿足多種熒光的觀察需求
熒光照明裝置
長壽命的寬光譜大功率LED光源，不僅亮度均勻而且維護簡便，光譜覆蓋350nm-760nm波長范圍，可即開即關，無需預熱。
02滿足多種解決方案
明場觀察
采用LED照明，高亮度、低輻射，光路無需調節，超長的使用壽命，避免頻繁更換，節能環保。
熒光觀察
可配置UV、V、B、G、Y、R等多種熒光，可觀測DAPI、FITC、TRITC、Alexa Fluor系列、Cy3系列等常見熒光染料，在CTC檢測、FRET、細胞免疫等領域應用廣泛。
相差觀察
明美是一家專注顯微成像產品研發與銷售的高新技術企業，是中國儀器儀表行業協會光學分會理事單位，醫療器械顯微鏡生產及經營廠家。
公司一直堅持誠信經營，用心服務，提供顯微成像解決方案。為教育、科研、醫藥、工業檢測等廣大客戶提供穩定的產品與服務。
始終以客戶需求為主，以品質為根本，以創新為方向，推動顯微行業的數字化、電動化、智能化，為顯微領域的國產化進程貢獻力量。
您若對倒置熒光顯微鏡有興趣或存在疑惑，明美光電歡迎您咨詢，期待與您相約！
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