利用1880-2080纳米窗口进行高对比度活体荧光成像的新方法
2025-11-28 来源:本站 点击次数:84近红外二区（NIR-II，900-1880纳米）荧光成像因其低光子散射和弱生物自体荧光等优势，在活体生物成像领域展现出巨大潜力。然而，传统上认为波长超过1880纳米的区域由于水吸收峰（如1930纳米）的存在而不适合成像。本研究通过重新审视光吸收对成像的影响，提出利用1880-2080纳米窗口进行高对比度活体荧光成像的新方法。模拟和实验均证实，水吸收能有效抑制散射背景信号，提升成像对比度。此外，研究还扩展到脂肪组织环境，发现1700-2080纳米窗口因适中的吸收和低散射特性，能提供最优成像质量。这项工作深化了光吸收与散射在生物成像中相互作用的理解，为选择最佳成像窗口提供了新思路。
本论文的重要发现者包括Jiayi Li、Qiming Xia、Tianxiang Wu、Yuhuang Zhang、Shiyi Peng、Yifei Li、Yixuan Li、Hui Lin、Mingxi Zhang和Jun Qian。他们共同发表的论文题为“High-contrast in vivo fluorescence imaging exploiting wavelengths beyond 1880 nm”，于2025年5月在《Nature Communications》期刊在线发表。
重要发现
01光学成像原理与模拟探索
光子在生物组织中传播时，会经历散射和吸收两种主要过程。传统观点认为两者均会劣化成像质量，但近年研究发现，吸收能优先衰减多次散射的光子，从而提升信号与背景比（SBR）。水作为生物体主要成分，其吸收谱在1450纳米和1930纳米附近存在峰值；理论表明，若荧光信号足够强以克服吸收衰减，这些高吸收区域反而能通过抑制背景噪声来增强对比度。为验证这一假设，研究团队采用Monte Carlo模拟方法，比较了1200-1300纳米、1300-1400纳米（NIR-IIa）、1400-1500纳米（NIR-IIx）、1500-1700纳米（NIR-IIb）、1700-1880纳米（NIR-IIc）和1880-2080纳米窗口的成像效果。模拟结果显示，NIR-IIx和1880-2080纳米窗口的SBR和结构相似性指数（SSIM）均显著优于其他窗口，尤其是1880-2080纳米窗口因波长红移带来的散射抑制和水吸收的增强作用，表现出极低的背景干扰和高对比度。
为将模拟结果转化为实际应用，研究团队合成了水溶性核壳结构PbS/CdS量子点（QDs）作为荧光探针。这些量子点通过聚乙二醇（PEG）修饰后，具备良好的生物相容性和长波长发射特性（如1700纳米峰值）。通过静脉注射混合量子点至小鼠体内，对腿部血管进行多窗口荧光成像。实验发现，在1400-1500纳米和1880-2080纳米窗口下，图像背景显著降低，SBR分别达到2.77和2.91，优于其他窗口。值得注意的是，1880-2080纳米窗口虽面临1930纳米水吸收峰的挑战，但通过使用1064纳米激光激发（其最大允许曝光功率较高）和亮荧光探针，成功克服了信号衰减，实现了活体血管的高清成像。
03多通道成像与背景抑制应用
在生物成像中，深层组织（如肝脏）的荧光背景常干扰浅表目标（如血管）的检测。模拟和实验均表明，1880-2080纳米窗口因水吸收对长路径光子的强衰减作用，能有效抑制深层背景。例如，当小鼠肝脏区域因量子点积累形成亮背景时，NIR-IIx和1880-2080纳米窗口仍能清晰分辨浅表血管，SBR分别达1.17和1.21，而其他窗口则难以区分信号与背景。基于此优势，研究团队实现了1400-1500纳米和1880-2080纳米窗口的双通道成像：通过腹腔注射1450QD标记腹部组织，静脉注射1700QD标记血管，成功获取了无串扰的高对比度图像，证明了该技术在多目标同步监测中的潜力。
04脂肪组织中的成像窗口优化
生物组织成分多样，脂肪作为人体主要组成（占体重约20%），其光学参数（吸收与散射）与水差异显著。通过测量猪脂肪组织的光学谱，团队发现1700-2080纳米窗口在脂肪中具有适中的吸收和低散射特性。模拟成像显示，该窗口在1-3毫米厚度脂肪层下均保持高SBR和SSIM。体外实验进一步验证：将填充量子点的毛细管埋入脂肪组织，1700-2080纳米窗口的成像对比度最佳，背景噪声最低。活体实验中，以兔子胆管为模型，覆盖2毫米厚猪脂肪模拟肥胖条件下的成像环境，1700-2080纳米窗口仍能清晰勾勒胆管结构，而传统窗口（900-1700纳米）则因散射干扰难以分辨。这表明该窗口在脂肪丰富环境中具有独特优势，为临床手术（如腹腔镜胆囊切除术）提供了可靠成像工具。
创新与亮点
01突破传统成像窗口限制
本研究首次将荧光成像窗口扩展至1880-2080纳米区域，突破了长期以来认为高水吸收峰（如1930纳米）阻碍成像的传统观念。通过理论创新，证明了吸收在特定条件下能转化为成像优势，而非单纯衰减因素。这不仅重新定义了NIR-II的边界，还为长波长荧光成像开辟了新方向。与现有技术相比，新窗口利用波长红移的散射抑制和水吸收的背景衰减双重机制，实现了比NIR-IIx窗口更优的对比度，尤其在浅表目标成像中表现突出。
技术层面，研究团队开发了高性能PbS/CdS量子点探针，其核壳结构有效保护了荧光核心，并通过PEG修饰提升生物相容性。结合1064纳米激光策略，克服了信号衰减难题。在应用上，该技术适用于复杂生物环境：例如，在肝脏背景干扰下可视化血管，或在脂肪组织中实现深部结构成像。多通道成像能力的演示，进一步展现了其在多目标跟踪和临床诊断中的潜力，为精准医疗提供了新工具。
03光学生物医疗价值
这项工作的核心价值在于将基础光学原理与临床需求紧密结合。通过量化不同组织的吸收-散射特性，提出了组织特异性的成像窗口选择准则。例如，在脂肪丰富的手术场景中，1700-2080纳米窗口能显著提升成像清晰度，降低手术风险。这种“组织自适应”成像策略，可推广至其他生物介质（如肿瘤组织），推动个性化医疗发展。此外，研究强调信号补偿策略（如增强探针亮度），为后续荧光探针设计提供了指导，加速了NIR-II技术向临床转化。
总结与展望
本研究通过模拟与实验相结合，系统论证了1880-2080纳米窗口在活体荧光成像中的高对比度优势，并成功将其应用于脂肪组织环境，扩展了成像窗口至1700-2080纳米。工作不仅深化了对光吸收-散射相互作用的理解，还提供了实践可行的成像方案。未来，研究可进一步探索更亮的长波长荧光探针，以充分发挥高吸收窗口的潜力；同时，结合人工智能算法优化图像处理，提升深组织成像分辨率。随着光学设备的小型化和低成本化，这项技术有望广泛应用于术中导航、疾病早期诊断等领域，推动生物医学成像进入新纪元。
声明：本文仅用作学术目的。
Li J, Xia Q, Wu T, Zhang Y, Peng S, Li Y, Li Y, Lin H, Zhang M, Qian J. High-contrast in vivo fluorescence imaging exploiting wavelengths beyond 1880 nm. Nat Commun. 2025 May 13;16(1):4436.
DOI:10.1038/s41467-025-59630-4.