【Matter】明美倒置熒光顯微鏡助力四川大學(xué)研究多路復(fù)用生物標(biāo)志物光纖光學(xué)傳感器論文研究

2022年8月16日，英國帝國理工學(xué)院張雨倩、胡余冰博士和Ali K. Yetisen教授團(tuán)隊(duì)與四川大學(xué)姜楠研究員團(tuán)隊(duì)合作在Matter上發(fā)表一篇題為“Multiplexed optical fiber sensors for dynamic brain monitoring”的研究成果。
 

 

該成果報(bào)道了一種集成了可編程的AI 預(yù)測(cè)平臺(tái)的多路復(fù)用生物標(biāo)志物光纖光學(xué)傳感器。該傳感器能夠?qū)崟r(shí)且連續(xù)探測(cè)腦脊液中多種生物標(biāo)志物的水平，并診斷和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顱腦損傷的不同階段。
為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，該研究團(tuán)隊(duì)在Y型光纖的頂端連接四種不同的傳感薄膜，用于同時(shí)檢測(cè)四種不同的生物標(biāo)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(jìn)行反射光譜分析，以實(shí)現(xiàn)生物標(biāo)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?dāng)_并提供生物標(biāo)志物的高精度和定量讀數(shù)，利用反射光譜的特征開發(fā)和優(yōu)化了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的回歸模型。四種光學(xué)傳感器是基于熒光和比色的方法，其工作機(jī)制是通過傳感膜和生物標(biāo)志物之間的相互作用來改變薄膜的光物理性質(zhì)（圖1C-i）。為了實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)，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(duì)生物標(biāo)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(qiáng)反射信號(hào)，并阻擋背景噪聲。

該研究團(tuán)隊(duì)利用多路復(fù)用傳感器對(duì)人工腦脊液（aCSF）的pH、腦氧含量（DO）、溫度和葡萄糖進(jìn)行了同時(shí)檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果如下。如圖所示，該光纖傳感器在進(jìn)行多參量同時(shí)監(jiān)測(cè)的時(shí)候區(qū)分pH、DO、溫度和葡萄糖，同時(shí)該傳感器具有良好的重復(fù)性，可以反復(fù)使用。并且，傳感薄膜在不同的生理環(huán)境中具有肉眼可見的顏色變化，證實(shí)了該傳感器可以有效地檢測(cè)aCSF中的生物標(biāo)志物（圖2）。
 

在多參數(shù)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該四路信號(hào)無法避免的存在了信號(hào)干擾和輸出重疊的現(xiàn)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(duì)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算（圖3A）。于是該研究團(tuán)隊(duì)提出了利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來通過所采集到的光譜信息建立四個(gè)模型來分別對(duì)四種參量進(jìn)行預(yù)測(cè)（圖3B）。為了更好的訓(xùn)練效果，該研究團(tuán)隊(duì)從光譜提取了10個(gè)光譜特征來訓(xùn)練模型，其中包括每個(gè)參量的敏感波長對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，還有波峰波谷等特征。為了矯正溫度對(duì)氧信號(hào)的影響，在模型訓(xùn)練時(shí)，溫度也作為其中一個(gè)特征對(duì)氧氣模型進(jìn)行訓(xùn)練。在比較多種模型效果后，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)利用貝葉斯RIGI回歸算法對(duì)四個(gè)參量預(yù)測(cè)效果好。該團(tuán)隊(duì)利用五折交叉驗(yàn)證方法對(duì)模型效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示pH、腦氧含量、溫度和葡萄糖預(yù)測(cè)模型的R2分別達(dá)到了0.84、0.93、0.94、0.94（圖3C-F）。

為了進(jìn)一步檢測(cè)該多路復(fù)用光纖光學(xué)傳感器的有效性和臨床應(yīng)用效果，該研究團(tuán)隊(duì)用羊腦進(jìn)行了離體組織驗(yàn)證。檢測(cè)前先對(duì)羊腦進(jìn)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(shí)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(yīng)的aCSF，并把羊腦浸泡在腦脊液中進(jìn)行疾病的模擬監(jiān)測(cè)。在連續(xù)的監(jiān)測(cè)中，該多路復(fù)用傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同階段腦脊液的測(cè)量，成功準(zhǔn)確的計(jì)算出了這四種生物標(biāo)志物的含量，而不同階段之間的變化也都能在3分鐘之內(nèi)檢測(cè)出來，可以準(zhǔn)確反映出疾病之間不同的階段的切換，進(jìn)一步證實(shí)了該系統(tǒng)具有重要的臨床應(yīng)用前景（圖3G）。

 

該研究成果使用到的儀器設(shè)備有：倒置熒光顯微鏡MF53-N，采用優(yōu)異的無限遠(yuǎn)消色差獨(dú)立校正光學(xué)系統(tǒng)，配置長工作距離平場(chǎng)消色差物鏡與大視野目鏡。好的弱熒光成像，采用轉(zhuǎn)盤式熒光切換方式，可配置UV、V、B、G、Y、R等在內(nèi)的多種熒光，可觀測(cè)DAPI、FITC、TRITC、Alexa Fluor系列、Cy3系列等常見熒光染料，在CTC檢測(cè)、FRET、細(xì)胞免疫等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
 

01先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，切換方便，能同時(shí)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(hù)簡(jiǎn)便，光譜覆蓋350nm-760nm波長范圍，可即開即關(guān)，無需預(yù)熱。

02滿足多種解決方案

明場(chǎng)觀察

采用LED照明，高亮度、低輻射，光路無需調(diào)節(jié)，超長的使用壽命，避免頻繁更換，節(jié)能環(huán)保。

 

熒光觀察

可配置UV、V、B、G、Y、R等多種熒光，可觀測(cè)DAPI、FITC、TRITC、Alexa Fluor系列、Cy3系列等常見熒光染料，在CTC檢測(cè)、FRET、細(xì)胞免疫等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
 

相差觀察

推拉式相差環(huán)板設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單方便，相差成像均勻，可根據(jù)需求靈活更換對(duì)應(yīng)倍數(shù)的相差環(huán)

明美是一家專注顯微成像產(chǎn)品研發(fā)與銷售的高新技術(shù)企業(yè)，是中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)光學(xué)分會(huì)理事單位，醫(yī)療器械顯微鏡生產(chǎn)及經(jīng)營廠家。
公司一直堅(jiān)持誠信經(jīng)營，用心服務(wù)，提供顯微成像解決方案。為教育、科研、醫(yī)藥、工業(yè)檢測(cè)等廣大客戶提供穩(wěn)定的產(chǎn)品與服務(wù)。
始終以客戶需求為主，以品質(zhì)為根本，以創(chuàng)新為方向，推動(dòng)顯微行業(yè)的數(shù)字化、電動(dòng)化、智能化，為顯微領(lǐng)域的國產(chǎn)化進(jìn)程貢獻(xiàn)力量。
您若對(duì)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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