图1：HEK293细胞中电压纳米传感器的稳定高保真光学响应。A：伪彩色图像显示了UCNP标记的HEK293细胞在100 mV去极化前、期间和后的发光变化。B/C：不同频率(0.1、1、10、20和50 Hz)重复去极化(黑线)响应下UCNP发光变化(红线)的示例和总结。
背景
杜继林教授团队致力于研究多种感觉信息是如何在中枢神经系统中整合以执行行为的机制。他们通过对模式生物斑马鱼进行体内电生理记录和光学成像来研究神经元活动。然而，这种记录策略具有侵入性，难以扩展到高通量记录，而钙成像等其他方案则忽略了亚阈值膜电位波动，而这种波动在神经元计算的发展中也起着至关重要的作用。因此，他们希望开发一种新型近红外(NIR)激发电压纳米传感器，能够直接监测膜电位的变化。
大多数光学电压传感器需要高强度可见光激发，这些波长的光在深层组织中会发生畸变和散射，且光漂白会阻碍长期成像。近红外激发具有更深的穿透力和更低的光毒性，能够实现对深层脑区神经元膜电位波动的长期记录。
挑战
该纳米传感器通过工程化调节外膜锚定上转换纳米颗粒(UCNP)与膜嵌入式双吡啶铵(DPA)之间的福斯特共振能量转移(FRET)效率来构建。当神经元处于静息状态时，FRET发生，UCNPs的荧光被DPA吸收。当神经元去极化时，FRET停止，UCNPs的荧光增强。因此，该纳米传感器的发射强度可以报告膜电位的变化。
FRET信号微弱且对电压变化的响应较小，因此针对这一应用，杜教授团队需要一台高灵敏度的相机，以尽可能多地捕获光子。此外，由于神经元脉冲仅持续几毫秒，因此需要一台具有快速扫描速率的高速相机来检测膜电位变化。
与其他EMCCD和sCMOS相机相比，Prime 95B能够检测非常微弱的信号，实现高信噪比和快速成像速率，从而提供良好的时空分辨率。——杜继林，刘建南博士，张荣伟博士
解决方案
在对比了不同的EMCCD和sCMOS相机后，杜教授团队选择了Teledyne Photometrics Prime 95B sCMOS相机来检测他们的FRET信号。
杜实验室的副研究员张荣伟博士告诉我们：“Prime 95B具有极高的量子效率，这对我们的电压纳米传感器成像非常有帮助……我们使用Prime 95B来检测与膜电位相关的荧光信号，以便在培养细胞和斑马鱼幼虫中使用我们的电压纳米颗粒传感器。与其他EMCCD和sCMOS相机相比，Prime 95B能够检测到非常微弱的信号，实现高信噪比和快速成像速率，从而提供良好的时空分辨率。”
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