近紅外成像窗口的探索

撰稿 | 馮哲（浙江大學）

說明 | 本文來自論文作者（課題組）投稿

熒光成像已經廣泛應用于生物醫學成像及臨床術中導航。熒光在生物介質中傳播時，吸收衰減和散射擾動會分別造成熒光能量損失和信噪比下降。一般來說，吸收損耗的程度決定了我們能否“看得見”，而散射光子的多少會決定了我們能否“看得清”。除此之外，一些生物分子的自發熒光和信號光一同被成像系統收集，最終成為圖像的背景。因此，對于生物熒光成像而言，科學家們試圖尋找一個光子吸收小且光散射得到充分抑制的完美成像窗口。

2009年以來，美國斯坦福大學Hongjie Dai院士發現了1000-1700 nm（近紅外二區，NIR-II）的光學生物組織窗口相較于傳統的700-900 nm（近紅外一區，NIR-I）窗口，生物組織的光散射更低，活體成像效果更佳。

隨后，國內外掀起一陣近紅外二區熒光成像及發光探針的研究熱潮。在中國科學院科技戰略咨詢研究院、中國科學院文獻情報中心與科睿唯安聯合向全球發布的《2020研究前沿》報告中（該報告完整版>>>），“近紅外二區熒光探針用于生物醫學成像”的研究話題在化學與材料科學領域中排名第二。

理論上，由于散射光子在生物介質傳播中的光程比彈道光子長，因此，組織光吸收作用會優先消耗多次散射的光子，從而抑制散射背景。

近日，浙江大學錢駿教授課題組及其合作者發現，相較于近紅外一區，近紅外二區窗口內生物組織吸收明顯增加，且生物成像效果與水的光吸收緊密相關。在降低散射作用的基礎上，該課題組認為水吸收的增加也是提升近紅外活體熒光成像效果的關鍵。

根據水對近紅外光子的吸收特性，該課題組將近紅外二區的定義進一步完善為900-1880 nm。其中，該課題組發現水吸收較高的1400-1500 nm，在熒光探針足夠亮的情況下，成像效果最佳，甚至超過了公認的近紅外二b區成像（1500-1700 nm，NIR-IIb）。因此，一直被忽視的1400-1500 nm波段被定義為近紅外二x（NIR-IIx）窗口。圍繞近紅外二x窗口，該課題組實現了大深度鼠腦血管成像及多功能深層器官造影。此外，通過仿真計算，該課題組將2080-2340 nm定義為近紅外波段另一個成像窗口——近紅外三區（NIR-III）。

光在組織中傳播的示意圖。

該研究成果以"Perfecting and extending the near-infrared imaging window"為題發表在 Light: Science & Applications。

本文中的學者通過理論仿真和活體實驗，證明了水吸收的增加對于提升近紅外二區熒光成像效果有著重要作用，提出了在900-1880nm范圍內成像效果最優的NIR-IIx窗口。但由于缺乏合適的成像探針和商業化的紅外探測器，目前活體熒光成像實驗被限制在1700nm以內。我們熱切期待著新型熒光團（如長波長發射量子點），以及高效檢測技術（如波長擴展型InGaAs相機）的出現！

論文信息：

Feng, Z., Tang, T., Wu, TX., et al. Perfecting and extending the near-infrared imaging window. Light Sci. Appl. 10, 197 (2021). 

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00628-0

論文傳送門在此，請進>>>

編輯 | 趙陽

歡迎課題組投稿——新聞稿

文章轉載/商務合作/課題組投稿，微信：447882024

帶您每天讀1篇文獻！加入>Light讀書會