明美倒置荧光显微镜助力四川大学研究多路复用生物标志物光纤光学

【Matter】明美倒置荧光显微镜助力四川大学研究多路复用生物标志物光纤光学传感器论文研究

2022年8月16日，英国帝国理工学院张雨倩、胡余冰博士和Ali K. Yetisen教授团队与四川大学姜楠研究员团队合作在Matter上发表一篇题为“Multiplexed optical fiber sensors for dynamic brain monitoring”的研究成果。

该成果报道了一种集成了可编程的AI 预测平台的多路复用生物标志物光纤光学传感器。该传感器能够实时且连续探测脑脊液中多种生物标志物的水平，并诊断和动态监测颅脑损伤的不同阶段。

图1：用于脑生物标志物检测的多路复用光纤光学传感器的示意图。

为实现以上目标，该研究团队在Y型光纤的顶端连接四种不同的传感薄膜，用于同时检测四种不同的生物标志物（图 1A）。研究通过在Y型光纤一端连接光源，另一端连接光谱仪进行反射光谱分析，以实现生物标志物浓度的读取和分析（图 1B）。为了消除四种传感器之间的串扰并提供生物标志物的高精度和定量读数，利用反射光谱的特征开发和优化了基于机器学习的回归模型。四种光学传感器是基于荧光和比色的方法，其工作机制是通过传感膜和生物标志物之间的相互作用来改变薄膜的光物理性质（图1C-i）。为了实现长期稳定的监测，传感器被封装在透明的二氧化硅薄膜中（图 1C-ii），可避免指示剂渗漏，并保持对生物标志物的高渗透性。四种传感薄膜被切割成1/4 圆形，并放置在光纤顶端上方 4 mm 处，玻璃微纤维制成的反射隔离膜加在传感膜的表面以增强反射信号，并阻挡背景噪声。
该研究团队利用多路复用传感器对人工脑脊液（aCSF）的pH、脑氧含量（DO）、温度和葡萄糖进行了同时检测，测量结果如下。如图所示，该光纤传感器在进行多参量同时监测的时候区分pH、DO、温度和葡萄糖，同时该传感器具有良好的重复性，可以反复使用。并且，传感薄膜在不同的生理环境中具有肉眼可见的颜色变化，证实了该传感器可以有效地检测aCSF中的生物标志物（图2）。

图2：多路复用光纤光学生物传感器对pH、温度、脑氧（DO）、葡萄糖传感检测结果。
在多参数的实验中发现该四路信号无法避免的存在了信号干扰和输出重叠的现象，使得pH、温度和葡萄糖传感的敏感性有一定的降低，也难以只利用某单一波长的值对检测参数进行计算（图3A）。于是该研究团队提出了利用机器学习算法来通过所采集到的光谱信息建立四个模型来分别对四种参量进行预测（图3B）。为了更好的训练效果，该研究团队从光谱提取了10个光谱特征来训练模型，其中包括每个参量的敏感波长对应的强度，还有波峰波谷等特征。为了矫正温度对氧信号的影响，在模型训练时，温度也作为其中一个特征对氧气模型进行训练。在比较多种模型效果后，该研究团队发现利用贝叶斯RIGI回归算法对四个参量预测效果好。该团队利用五折交叉验证方法对模型效果进行了验证，结果显示pH、脑氧含量、温度和葡萄糖预测模型的R2分别达到了0.84、0.93、0.94、0.94（图3C-F）。
为了进一步检测该多路复用光纤光学传感器的有效性和临床应用效果，该研究团队用羊脑进行了离体组织验证。检测前先对羊脑进行了清洗处理，将其自带的脑脊液等洗去。然后研究人员仿照实际情况下健康人群、TBI前期、TBI中期和TBI后期的病人脑脊液中pH、脑氧、温度和葡萄糖的含量配制了相应的aCSF，并把羊脑浸泡在脑脊液中进行疾病的模拟监测。在连续的监测中，该多路复用传感器可以实现对不同阶段脑脊液的测量，成功准确的计算出了这四种生物标志物的含量，而不同阶段之间的变化也都能在3分钟之内检测出来，可以准确反映出疾病之间不同的阶段的切换，进一步证实了该系统具有重要的临床应用前景（图3G）。

图3：基于机器学习模型的体外TBI脑监测模型研究。

图4：光纤传感器生物相容性和细胞增殖研究。（该图所用显微镜为广州明美Mshot MF53-N倒置荧光显微镜）

该研究成果使用到的仪器设备有：倒置荧光显微镜MF53-N，采用优异的无限远消色差独立校正光学系统，配置长工作距离平场消色差物镜与大视野目镜。好的弱荧光成像，采用转盘式荧光切换方式，可配置UV、V、B、G、Y、R等在内的多种荧光，可观测DAPI、FITC、TRITC、Alexa Fluor系列、Cy3系列等常见荧光染料，在CTC检测、FRET、细胞免疫等领域应用广泛。

01先进的模块化设计

配备6孔荧光附件

配备6孔荧光附件，更换拆卸便捷，采用转盘式结构设计，切换方便，能同时满足多种荧光的观察需求

荧光照明装置

长寿命的宽光谱大功率LED光源，不仅亮度均匀而且维护简便，光谱覆盖350nm-760nm波长范围，可即开即关，无需预热。

02满足多种解决方案

明场观察

采用LED照明，高亮度、低辐射，光路无需调节，超长的使用寿命，避免频繁更换，节能环保。

荧光观察

可配置UV、V、B、G、Y、R等多种荧光，可观测DAPI、FITC、TRITC、Alexa Fluor系列、Cy3系列等常见荧光染料，在CTC检测、FRET、细胞免疫等领域应用广泛。

相差观察

推拉式相差环板设计，操作简单方便，相差成像均匀，可根据需求灵活更换对应倍数的相差环

明美是一家专注显微成像产品研发与销售的高新技术企业，是中国仪器仪表行业协会光学分会理事单位，医疗器械显微镜生产及经营厂家。
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来源：https://www.mshot.com/article/1555.html