碳纳米管在SWIR相机上的应用和基于发光的成像

在本白皮书中，我们概述了(单壁)碳纳米管在各种应用中的用途和优点。此外，我们还展示了一些例子，说明深度冷却的科学SWIR InGaAs相机如何被用作纳米管发光成像的使能技术。

介绍

单壁碳纳米管(SWNTs)由单层石墨烯卷成具有纳米直径和高纵横比的圆柱体组成。近年来，由于其在医学、体内生物成像、光子学和光电子等领域的应用前景广阔，引起了人们的广泛关注。

在所有这些应用中，单壁碳纳米管的一个重要特性是它们在短波红外(SWIR)波长范围(1000 - 1600 nm)内的固有发光[LEF]。在纳米管的研究中，基于本征发光的成像方法是常用的。

光子学和光电子学

单壁碳纳米管，特别是半导体单壁碳纳米管或s-单壁碳纳米管，在光子学和光电子学中有着广泛的应用。然而，在过去的发光器件中，由于其低发射效率和宽光谱而受到阻碍[JAK]。

s-SWNTs网络作为一种获得高迁移率溶液处理场效应晶体管(fet)的有前途的方法受到了广泛的关注。由纳米管制造的随机网络场效应管具有高迁移率和高通/关电阻比。它们可用于快速环形振荡器的互补式逆变器，或作为有源矩阵有机发光二极管(LED)显示器的开关。不同直径、不同带隙和迁移率的纳米管网络的使用提出了电流密度如何在通道内分布的问题。

半导体碳纳米管的一个有趣的特点是它们的发光源于激子的重组，即电子-空穴对。激子可以通过吸收光(光致发光，PL)或电致发光(EL)产生，其中电子-空穴对是电产生的。在光子学应用中，仅依靠碳基材料的具有可选发射波长和窄线宽的高效发光器件是非常理想的。然而，当使用基于半导体纳米管随机网络的场效应管时，在栅极电压扫描期间跟踪近短波红外发射可以使人们可视化优先电流路径，从而深入了解这些网络中的电荷传输。灵敏的SWIR相机，通常使用深度冷却的InGaAs探测器，如Xeva来自Xenics的1.7 320 TE3，用于成像以波长约1200nm为中心的SWIR电致发光。利用灵敏的SWIR相机进行EL研究将有助于更好地理解基于s- swnt的场效应管的工作[JAK]。

医疗

近年来，单壁碳纳米管作为一种工程纳米材料被广泛应用于神经科学和一般生物成像[JAC]。基于荧光的生物成像能够非常详细地可视化动态生物过程，是诊断癌症等疾病的重要工具。生物成像与磁共振成像(MRI)、超声和计算机断层扫描(CT)等其他成像技术具有很强的互补性[BRU, HEM]。

单壁碳纳米管适合这些应用是因为它们的小尺寸(~nm直径;~µm长度)，它们的生物相容性和它们固有的光致发光(在医学应用中通常使用荧光术语)属于所谓的“生物窗口”。对于活体生物成像，通常使用近红外和短波红外的两个“窗口”，与水、血液和活组织的吸光度和散射光谱的局部最小值相一致。第一个窗口是nir - 1，范围约为700至950 nm;第二个窗口是NIR-II(或SWIR)，范围约为950至1700 nm [JAC]。在SWIR区域，生物组织的最小自身荧光导致灵敏度增加，而血液和其他结构散射和吸收的光衰减减少，使得成像具有高时空分辨率和穿透深度[BRU]。

此外，单壁碳纳米管的用途可以扩展到生物成像中的造影剂，通过与仿生聚合物功能化来识别生物分析物，从而使其成为生物传感器[JAC]。这种靶向成像的选择性也可以为实时体内神经科学成像应用铺平道路。

近年来，世界各地的研究小组一直在开发不同的荧光剂，更明显地转向NIR-II或SWIR生物窗口进行体内成像。此外，随着价格合理的InGaAs SWIR相机的商业化，在1000 nm以上的波长范围内显示出出色的灵敏度和量子效率，利用NIR-II或SWIR发射荧光剂进行体内成像变得更加容易。例如，Shimadzu (Kyoto, Japan)开发了配备SWIR InGaAs相机的便携式SAI-1000体内生物成像系统[HEM, XU]。该系统是为临床前研究的小动物成像而开发的，最终目标是在人类患者中早期发现疾病。

图1荧光成像:小鼠血管可视化[SHI]。

在文献中，人们可以发现生物成像研究通常基于三种荧光剂纳米材料中的一种[HEM]:

• 纳米管,
• 稀土掺杂纳米粒子，或
• 量子点

目前，单壁碳纳米管是三种方法中最成熟的，在SWIR范围内具有良好的发射性和低毒性。稀土掺杂纳米颗粒(示例见图2)和量子点[BRU]最近也显示出具有低毒性和可调谐到不同波长的发射的巨大前景。最近，不同的出版物表明短波红外成像相机用于体内生物成像应用，以显示所有三种类型的药物的荧光[ZAK, XU]。

图2抗体染色人乳腺癌MCF-7和人胶质母细胞瘤U87MG细胞。采用基于Xenics [ZAK] Xeva 1.7 320 TE3相机的SWIR显微镜系统观察细胞。

综上所述，swnt正在许多行业中得到应用。通过本文中描述的示例，SWIR相机已被证明是实现这些应用程序的极其有效的工具。

图像噪声、帧率和分辨率通常是选择用于研究应用的InGaAs相机的重要特征。InGaAs技术的进步继续提供更高质量的SWIR成像，突破了此类应用的界限和限制。

参考文献

[ZAK]稀土离子掺杂纳米陶瓷靶向癌症近红外成像;Tamotsu Zako等，2013年英国皇家化学学会。

[NAC]稀土掺杂生物复合材料体内短波红外报告器D.J. Naczynski等，《自然通讯》2013。

[PI]深度冷却，科学InGaAs相机促进NIR-II/SWIR成像，用于药物发现/小动物研究;申请笔记，2014年，Princeton Instruments, Inc。

[JAC]双近红外双光子显微镜深层组织多巴胺纳米传感器成像;陈晓明，等，碳纳米管技术与应用，2017。

[JAK]电致发光在手性选择碳纳米管网络中的电荷输运映射Florian Jakubka, et .， 2013。

[BRU]下一代短波红外量子点体内光学成像技术;Oliver T. Bruns等，自然生物医学工程，2017。

[LEF]悬浮单壁碳纳米管光致发光成像Jacques Lefebvre, et .， Nano Letters, 2006。

[HEM]利用生物窗口:1000 nm以上荧光生物探针的研究现状伊娃·海默等，英国皇家化学学会，《纳米尺度视野》，2016年。

[徐]近红外长持续发光的Er^３＋在石榴石为第三生物成像窗口;徐健，等，《材料化学杂志》，英国皇家化学学会，2016。

[时]www.an.shimadzu.co.jp /生物/ sai - 1000. htm