近红外成像窗口的探索

撰稿 | 冯哲（浙江大学）

说明 | 本文来自论文作者（课题组）投稿

荧光成像已经广泛应用于生物医学成像及临床术中导航。荧光在生物介质中传播时，吸收衰减和散射扰动会分别造成荧光能量损失和信噪比下降。一般来说，吸收损耗的程度决定了我们能否“看得见”，而散射光子的多少会决定了我们能否“看得清”。除此之外，一些生物分子的自发荧光和信号光一同被成像系统收集，最终成为图像的背景。因此，对于生物荧光成像而言，科学家们试图寻找一个光子吸收小且光散射得到充分抑制的完美成像窗口。

2009年以来，美国斯坦福大学Hongjie Dai院士发现了1000-1700 nm（近红外二区，NIR-II）的光学生物组织窗口相较于传统的700-900 nm（近红外一区，NIR-I）窗口，生物组织的光散射更低，活体成像效果更佳。

随后，国内外掀起一阵近红外二区荧光成像及发光探针的研究热潮。在中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心与科睿唯安联合向全球发布的《2020研究前沿》报告中（该报告完整版>>>），“近红外二区荧光探针用于生物医学成像”的研究话题在化学与材料科学领域中排名第二。

理论上，由于散射光子在生物介质传播中的光程比弹道光子长，因此，组织光吸收作用会优先消耗多次散射的光子，从而抑制散射背景。

近日，浙江大学钱骏教授课题组及其合作者发现，相较于近红外一区，近红外二区窗口内生物组织吸收明显增加，且生物成像效果与水的光吸收紧密相关。在降低散射作用的基础上，该课题组认为水吸收的增加也是提升近红外活体荧光成像效果的关键。

根据水对近红外光子的吸收特性，该课题组将近红外二区的定义进一步完善为900-1880 nm。其中，该课题组发现水吸收较高的1400-1500 nm，在荧光探针足够亮的情况下，成像效果最佳，甚至超过了公认的近红外二b区成像（1500-1700 nm，NIR-IIb）。因此，一直被忽视的1400-1500 nm波段被定义为近红外二x（NIR-IIx）窗口。围绕近红外二x窗口，该课题组实现了大深度鼠脑血管成像及多功能深层器官造影。此外，通过仿真计算，该课题组将2080-2340 nm定义为近红外波段另一个成像窗口——近红外三区（NIR-III）。

光在组织中传播的示意图。

该研究成果以"Perfecting and extending the near-infrared imaging window"为题发表在 Light: Science & Applications。

本文中的学者通过理论仿真和活体实验，证明了水吸收的增加对于提升近红外二区荧光成像效果有着重要作用，提出了在900-1880nm范围内成像效果最优的NIR-IIx窗口。但由于缺乏合适的成像探针和商业化的红外探测器，目前活体荧光成像实验被限制在1700nm以内。我们热切期待着新型荧光团（如长波长发射量子点），以及高效检测技术（如波长扩展型InGaAs相机）的出现！

论文信息：

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

论文地址：

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

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编辑 | 赵阳

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