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核心论文汇总|超导纳米线单光子探测器（SNSPD）在生物成像领域的应用

SNSPD plus 生物成像

 

SUMMARY

 

想快速 get SNSPD（超导纳米线单光子探测器）如何突破生物成像瓶颈？这几篇关键论文可别错过！它们聚焦SNSPD技术在生物成像的核心应用，从穿透小鼠大脑深层组织，到不用开刀看清淋巴结里的免疫细胞，覆盖深脑成像、非侵入性免疫成像等多个热门方向。

 

每篇都藏着解决成像难题的 “黑科技”，直击领域痛点，帮相关研究者快速定位关键技术突破，省心又高效～

2013

 

01

 

01

 

论文标题

 

《Singlet oxygen luminescence detection with a fiber-coupled superconducting nanowire single-photon detector》

 

02

 

核心简介

 

首次采用低噪声超导纳米线单光子探测器（SNSPD），记录模型光敏剂玫瑰红在溶液中产生的 1270 nm 单线态氧（¹O₂）发光。通过窄带光谱滤波和叠氮化钠化学猝灭验证信号特异性，还研究牛血清白蛋白（BSA）浓度增加对光敏剂三重态与¹O₂寿命的影响。更关键的是，实现单根光纤对¹O₂发光的探测，突破传统探测器局限，为光动力疗法（PDT）等临床治疗的剂量监测提供重要技术支撑。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1364/OE.21.005005

 

2014

 

01

 

01

 

论文标题

 

《Fluorescence correlation spectroscopy with visible-wavelength superconducting nanowire single-photon detector》

 

02

 

核心简介

 

首次将可见光波段超导纳米线单光子探测器（SNSPD）用于荧光相关光谱（FCS）。研发多模光纤耦合的可见光 SNSPD，解决传统雪崩光电二极管（APD）“后脉冲” 噪声问题。以罗丹明B和罗丹明6G为样本，在亚微秒短相关时间区域获得无噪声自相关曲线，清晰观测到罗丹明6G的三重态弛豫过程（~10 μs），为分子旋转扩散等超快动态过程研究提供更精准的检测工具。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1364/OE.22.028783

 

2020

 

01

 

01

 

论文标题

 

《Intravital confocal fluorescence lifetime imaging microscopy in the second near-infrared window》

 

02

 

核心简介

 

开发基于超导单光子探测器（SNSPD）的NIR-II共聚焦荧光寿命成像显微镜，SNSPD在NIR-II区域检测效率超50%、时间抖动低至50ps。通过对比多种NIR-II荧光团寿命，实现小鼠耳部活体多色三维荧光寿命成像，可同时获取细胞组织形态与生化信息，为生命科学中生物功能机制研究提供有力工具。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1364/OL.394684

 

2021

 

01

 

01

 

论文标题

 

《Short-Wave Infrared Confocal Fluorescence Imaging of Deep Mouse Brain with a Superconducting Nanowire Single-Photon Detector》

 

02

 

核心简介

 

针对生物组织成像中光散射与吸收导致的深度限制，提出将激发波长（1310 nm）和发射波长（1700 nm 窗口）均置于短波红外最优区域。通过PEG化量子点（PbS/CdS）与定制化SNSPD（1600-2000 nm高探测效率、低噪声）的结合，实现了小鼠脑内约1.7 mm深度的在体单光子共聚焦荧光成像，覆盖整个皮质柱至海马区。该研究揭示了染色不均匀性对成像深度的影响，为长波长荧光探针和高效探测器的研发提供了新思路。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01018

 

2021

 

02

 

01

 

论文标题

 

《Superconducting nanowire single-photon sensing of cerebral blood flow》

 

02

 

核心简介

 

针对扩散相关光谱（DCS）测量脑血流（CBF）信噪比低的问题，构建1064 nm波段SNSPD-DCS系统。与850 nm硅雪崩光电二极管（Si-SPAD）系统对比，在25 mm源探距下光子计数提升13±6倍，信噪比提升16±8倍，可在20 Hz采样率下捕捉清晰脉动血流信号。还实现35 mm源探距测量，降低头皮信号干扰（头皮敏感性31.6% vs 25 mm处48.8%），成功监测屏气和过度通气时的血流响应，为无创脑灌注监测提供新方案。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1117/1.NPh.8.3.035006

 

2021

 

03

 

01

 

论文标题

 

《Singlet oxygen phosphorescence imaging by superconducting single-photon detector and time-correlated single-photon counting》

 

02

 

核心简介

 

搭建基于SNSPD与时间相关单光子计数（TCSPC）的系统，实现单线态氧（¹O₂）磷光成像（1270 nm）。在亚甲基蓝、叶绿素 e6 光敏剂溶液及 HeLa 细胞中验证性能，测得细胞内¹O₂寿命2.21 μs，可定位¹O₂分布，为光动力治疗中¹O₂监测及作用机制研究提供新方法。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1364/OL.415229

 

2022

 

01

 

01

 

论文标题

 

《In vivo non-invasive confocal fluorescence imaging beyond 1,700 nm using superconducting nanowire single-photon detectors》

 

02

 

核心简介

 

突破传统InGaAs探测器1700 nm的探测上限，定义了1700-2000 nm的NIR-IIc成像窗口。研发出发射峰～1880 nm的生物相容性PbS/CdS量子点，搭配可探测至2000 nm的SNSPD，实现了无需手术的非侵入性成像——穿透完整小鼠头部至1100 μm深度，同时清晰可视化腹股沟淋巴结内直径～6.6 μm的高内皮微静脉、CD169+巨噬细胞和CD3+T细胞。该技术为免疫细胞迁移的在体单细胞水平纵向成像提供了可能。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01130-3

 

2022

 

02

 

01

 

论文标题

 

《First-in-clinical application of a time-gated diffuse correlation spectroscopy system at 1064 nm using superconducting nanowire single photon detectors in a neuro intensive care unit》

 

02

 

核心简介

 

结合超导纳米线单光子探测器（SNSPD），首次将1064 nm时间门控扩散相关光谱（TG-DCS）系统用于神经 ICU 临床。对重度脑外伤患者监测，早/晚门控与有创热扩散血流仪相关性达0.67/0.76，还能以50 Hz分辨率解析脉动血流，为脑血流无创连续监测提供临床可行方案。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1364/BOE.448135

 

2023

 

01

 

01

 

论文标题

 

《Fast time-domain diffuse correlation spectroscopy with superconducting nanowire single-photon detector: system validation and in vivo results》

 

02

 

核心简介

 

将SNSPD集成到时间域扩散相关光谱（TD-DCS）系统，解决传统单光子雪崩二极管（SPAD）探测效率低、噪声高的问题。在 785 nm 波段，SNSPD 的仪器响应函数（IRF）更窄（160 ps vs SPAD 250 ps），计数率提升6倍（120 kcps vs 20 kcps），且无后脉冲噪声。在体实验中，以成人额头为样本，实现200 ms 采样率的门控脉动血流指数（BFI）测量，清晰区分早 / 晚时间门的血流响应差异，为深度分辨血流监测与脑功能研究提供技术支持。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1038/s41598-023-39281-5

 

2024

 

01

 

01

 

论文标题

 

《Deep Mouse Brain TWo-Photon Near-Infrared Fluorescence Imaging Using a Superconducting Nanowire Single-Photon Detector Array》

 

02

 

核心简介

 

针对双光子显微镜（2PM）在深脑成像中的深度瓶颈，开发了6×6阵列式 SNSPD（总探测面积60×60 μm2），结合发射峰～1100 nm 的有机染料LZ-1105，实现小鼠脑内>1.1 mm的在体双光子成像。该SNSPD阵列兼具高量子效率（~61%@1064 nm）、低暗计数（单像素< 300 Hz）和高动态范围，通过定制电子学系统可无缝集成到现有2PM设备，为短波红外双光子深组织成像提供了可扩展的探测器解决方案。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00111

 

2024

 

02

 

01

 

论文标题

 

《Confocal Microscopy with Optimized Excitation and Emission Wavelength for Ultradeep and Multi-Channel Bioimaging》

 

02

 

核心简介

 

      近红外二区（NIR-II）成像具有散射少和组织吸收低等优势，但现有研究对成像质量与波长关系探索不足，多通道成像存在兼容性问题。本研究发现NIR-II共聚焦显微镜检测波长超1400 nm时，无论连续波还是脉冲激光激发，成像质量更优、信号背景比更高。利用930 nm飞秒激光多光子激发能力，整合多光子可见荧光与NIR-II荧光共聚焦通道，构建多通道系统。体外实现6种荧光探针成像且交叉干扰可忽略，体内对小鼠脑部完成200 μm深度三通道成像、肾脏完成220 μm深度双通道成像，为活体组织细胞相互作用和生理过程研究提供工具。

03

 

论文链接

 

https://www.jpier.org/issues/volume.html?paper=24101003&sessionid=

 

2024

 

03

 

01

 

论文标题

 

《Superconducting nanowire single-photon detector enhanced near-infrared II portable confocal microscopy for tissue imaging with indocyanine green》

 

02

 

核心简介

 

研发 SNSPD增强型近红外II 区（NIR-II，1000-1700 nm）便携式共聚焦显微镜，以FDA批准的吲哚菁绿（ICG）为荧光染料。SNSPD在NIR-II波段系统探测效率达50%，暗计数率仅20cps，实现1 mW低功率激发下深度达512 μm 的组织成像（覆盖结肠黏膜、黏膜下层和肌层）。系统横向分辨率3.078-3.529 μm，轴向分辨率6.338 μm，成像与HE染色切片高度吻合，为临床术中高分辨率组织成像提供便携化解决方案。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1364/OL.537612

 

2025

 

01

 

01

 

论文标题

 

《Interrogation of retinal lipofuscin by fluorescence lifetime imaging microscopy》

 

02

 

核心简介

 

年龄相关性黄斑变性（AMD）是老年人视力丧失主因，早期诊断关键，但现有眼底自发荧光（FAF）成像存在定量不足、主观解读等局限。本研究开发集成超导单光子探测器（SNSPD）和时间相关单光子计数（TCSPC）的共聚焦激光扫描显微镜，聚焦视网膜色素上皮脂褐素颗粒（LGs）荧光特性。从50-75岁无病理捐赠者尸眼RPE分离LGs，光氧化模拟AMD，结合HPLC、荧光光谱等分析。发现光氧化后LGs中Oxy-Bis-Rets含量增加，使最短荧光寿命成分占比下降、中长成分占比上升，平均寿命延长，还通过荧光寿命成像显微镜（FLIM）实现寿命空间分布可视化，为AMD早期诊断提供精准定量指标。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1101/2025.09.12.675809

 

2025

 

02

 

01

 

论文标题

 

《Depth-Sensitive Cerebral Blood Flow and Low-Frequency Oscillations for Consciousness Assessment Using Time-Gated Diffuse Correlation Spectroscopy》

 

02

 

核心简介

 

用1064 nmTG-DCS 系统研究健康人、昏迷及隐匿意识脑外伤患者的脑血流（CBF）与低频振荡（LFOs）。发现LFO功率从健康人到昏迷患者递增，晚门控信号差异更显著；“微笑” 听觉任务中，健康人晚门控呈典型血流响应，隐匿意识患者响应延迟，为意识评估提供无创床边工具。

 

03

 

论文链接

 

https://doi.org/10.1101/2025.08.31.25334647

 

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核心论文汇总|超导纳米线单光子探测器（SNSPD）在生物成像领域的应用
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