熒光成像已廣泛国产成人在线观看免费网站於(yu) 醫療實踐，隨著對光與(yu) 生物組織相互作用認識的深入以及檢測技術成本的下降，熒光成像波長整體(ti) 上從(cong) 可見光區域不斷紅移到近紅外（NIR）區域。光在生物介質中傳(chuan) 播時的能量損失可歸咎於(yu) 吸收衰減和散射幹擾。吸收損耗決(jue) 定了我們(men) 能否捕捉到信號，而散射信號總是降低圖像的清晰度。此外，生物組織過度吸收光可能會(hui) 導致組織損傷(shang) 。一些生物分子的自發熒光總是與(yu) 有用信號混合在一起，zui終成為(wei) 拍攝圖像的背景。因此，光吸收和散射對熒光圖像采集完全有害的根深蒂固的信念促使大多數研究人員追求具有z小光子吸收和散射的完美窗口用於(yu) 生物成像。基於(yu) 第二近紅外窗口(NIR-II)的生物熒光成像被普遍公認為(wei) 具有更小的光子散射，從(cong) 而圖像質量佳。特別是檢測體(ti) 內(nei) 的深層信號時更傾(qing) 向於(yu) 這種窗口選擇策略。
博覽：2021 Light Sci Appl 近紅外成像窗口的完善和延伸
技術背景：
熒光成像已廣泛国产成人在线观看免费网站於(yu) 醫療實踐，隨著對光與(yu) 生物組織相互作用認識的深入以及檢測技術成本的下降，熒光成像波長整體(ti) 上從(cong) 可見光區域不斷紅移到近紅外（NIR）區域。光在生物介質中傳(chuan) 播時的能量損失可歸咎於(yu) 吸收衰減和散射幹擾。吸收損耗決(jue) 定了我們(men) 能否捕捉到信號，而散射信號總是降低圖像的清晰度。此外，生物組織過度吸收光可能會(hui) 導致組織損傷(shang) 。一些生物分子的自發熒光總是與(yu) 有用信號混合在一起，zui終成為(wei) 拍攝圖像的背景。因此，光吸收和散射對熒光圖像采集完全有害的根深蒂固的信念促使大多數研究人員追求具有z小光子吸收和散射的完美窗口用於(yu) 生物成像。基於(yu) 第二近紅外窗口(NIR-II)的生物熒光成像被普遍公認為(wei) 具有更小的光子散射，從(cong) 而圖像質量佳。特別是檢測體(ti) 內(nei) 的深層信號時更傾(qing) 向於(yu) 這種窗口選擇策略。
NIR-II窗口的定義(yi) 一直被限製在1000-1700nm，促使各種NIR發射器(emitters)的峰值發射波長超過1000 nm，甚至超過 1500 nm(NIR-IIb，1500-1700nm)。同時，一些現有和正在開發的熒光團的峰值發射低於(yu) 1000/1500 nm，但明亮的發射尾(即發射曲線的拖尾，不是峰值部分)超過1000/1500 nm，因此也非常適合NIR-II/NIR-IIb熒光成像，這包括一些極好的聚集體(ti) 探針(probes in aggregates)。目前來講，明亮的長波長近紅外發射器的設計和合成仍然充滿挑戰。此外，上述光吸收在 NIR-II 熒光成像中的積極作用可能會(hui) 破壞超長發射器的特權，即，成像波長越長，成像性能不一定越好。此外，有機藥劑(organic agents)一直被認為(wei) 具有良好的生物相容性，但實際上很難讓有機染料同時具備長波長和強發射。由於(yu) 其發射拖尾通常占整體(ti) 的一小部分，因此直接將藥劑国产成人在线观看免费网站於(yu) 某些給定的長通（LP）光譜區域中的檢測並進行高對比度成像。但是，經驗指導我們(men) 在確定成像窗口時要避開生物分子(如水)的光吸收峰。因此，考慮到吸收的積極影響，仍需要仔細驗證用於(yu) 成像的 LP 波段。
微小生物結構的顯微鏡檢查對於(yu) 理解生物過程和診斷以及治療某些疾病是必不可少的。NIR-II窗口的熒光寬場顯微鏡展示其在齧齒動物甚至非人類靈長類動物的生物組織中具有出色的深度成像能力。具有高時間分辨率的用戶友好的成像模式可以幫助操作員實時監測血流等動態過程。然而，散焦信號和散射光往往與(yu) 目標信息一起被收集，從(cong) 而成為(wei) 強背景，並降低圖像對比度。因此一些 NIR-II 顯微成像技術，如共聚焦和光片顯微鏡等被提出來，旨在通過調整采集和激發模式來抵消圖像背景。
當前不足：
如今，NIR-II熒光成像已經用於(yu) 臨(lin) 床指導複雜的肝腫瘤手術。然而，光吸收的建設性作用在某種程度上似乎被忽視了。高質量圖像的zui終采集往往是通過使用更長的波長，誇大其對散射抑製的積極效果，並認為(wei) 同時產(chan) 生的吸收會(hui) 衰減有用的信號。而事實上，一些工作已經揭示散射介質中吸收引起的分辨率增強，這是由於(yu) 背景信號經曆了更長的光程。然而，如何充分利用光吸收來選擇合適的熒光成像窗口仍未明確。
共聚焦和光片顯微鏡等與(yu) 寬場顯微鏡相比，引入針孔的掃描共聚焦顯微鏡不可避免地浪費了有用的信號並延長了成像持續時間。光片激發總是對樣品的透明度提出很高的要求。因此，仍然迫切需要時空分辨率高、穿透力強、操作簡便的顯微鏡。
文章創新點：
基於(yu) 此，浙江大學的Zhe Feng(第1作者),Jun Qian(通訊作者)等人考慮生物組織內(nei) 占很大比重的水的吸收作用，通過仿真和實驗證明吸收對背景信號衰減的積極作用不應該被忽視，並根據水的吸收峰，重新完善並拓展了NIR窗口的劃分。
(1) 用蒙特卡羅方法模擬生物組織中的NIR光子傳(chuan) 播，並創新性地提出了1400-1500nm、1700-1880nm和2080-2340nm的良好成像性能，並定義(yi) 為(wei) NIR-IIx、近紅外 IIc (NIR-IIc) 和第三個(ge) 近紅外 (NIR-III) 窗口。
(2) 借助硫化鉛 (PbS) 量子點 (QD) 具有高熒光亮度和可調發射波長的優(you) 點。設計並合成了一係列PbS/CdS核殼量子點(CSQD)，然後用聚乙二醇 (polythylene glycol,PEG)將它們(men) 水合。借助峰值發射波長為(wei) ~1100、~1300 和~1450nm的明亮QD，發現水吸收峰周圍的檢測區域始終提供極大的圖像質量，因此NIR-II窗口的定義(yi) 被進一步完善為(wei) 900–1880nm。
(3) 定義(yi) 為(wei) NIR-IIx區域的1400-1500 nm被證明提供比NIR-IIb區域更出色的熒光圖像。體(ti) 內(nei) NIR-IIx熒光顯微腦血管成像展現出背景的強烈抑製，圖像對比度非常佳，成像深度達到~1.3 mm，代表了迄今為(wei) 止小鼠大腦中z深的體(ti) 內(nei) NIR-II熒光成像。
(4) 考慮到大量熒光團的發射峰值短於(yu) 1400 nm，但保持明亮的發射拖尾，建議有效使用1400nm LP成像，其性能優(you) 於(yu) NIR-IIb區域。
原理解析：
(1) 由於(yu) 散射光子比彈道光子在生物組織中的光程更長，光吸收優(you) 先消耗掉多次散射的光子。如圖1所示，右圖組織的光吸收要強於(yu) 左圖，產(chan) 生了更強信號與(yu) 背景比(SBR)的熒光圖像。
使用Mente Carlo方法仿真光子在組織中的傳(chuan) 播，目標物為(wei) 一條線。當保持吸收係數不變，散射係數越小，全半高寬越小(見圖2g)，信號與(yu) 背景的比值(signal-to-background ratio,SBR)越大。圖2a,b,c的散射係數分別為(wei) μs’ = 10 mm−1 ; μs’ = 3 mm−1 ; μs’ = 0.2 mm−1 ，吸收係數都為(wei) μa=0.3 mm−1。當散射係數保持不變，吸收係數越大，全半高寬越小(見圖2g),SBR越大(見圖2h)。圖2d,e,f的μs’=1 mm−1,μa 分別為(wei) 0.01, 0.1,和1 mm−1 。
(2) 根據水在700-5000nm範圍內(nei) 的光譜吸收分布，完善近紅外區域的劃分。由於(yu) 1700-1880nm與(yu) 1500-1700nm有相似的吸收和散射特性，以及980nm處有一個(ge) 吸收峰，所以將NIR-II區完善為(wei) 900-1880nm(一般為(wei) 1000-1700nm，經典的InGaAs探測器將光學成像限製在1700nm以內(nei) ),其中1700-1880nm為(wei) NIR-IIc，1400-1500n為(wei) NIR-IIx，1500-1700nm為(wei) NIR-IIb。由於(yu) 2080nm和2340nm的吸收與(yu) 1450nm處相似，將2080-2340nm劃分為(wei) NIR-III。
水是生物體(ti) 的主要組成部分，在~980nm,~1200nm,~1450nm,~1930nm有吸收峰(如圖2i,j,k，j是k圖實線框的局部放大，i是j實線框的局部放大)，1930nm的峰值時1450nm處的e100，因此不適合用於(yu) 深層組織探測。在水的吸收峰處檢測發射熒光能夠極大的提高成像質量，但是由於(yu) 光熱損傷(shang) ，具有強光吸收的窗口不適合做激發光。如圖l-q，考慮水的吸收和皮膚的散射特性，對上述劃分進行成像仿真，除了1880nm-2080nm由於(yu) 極強吸收導致幾乎觀測不到任何東(dong) 西外，光吸收的增加和光子散射的減少可以明顯的提高成像質量。圖2r為(wei) 全半高寬，圖2s為(wei) SBR分析。
實驗證明：
(1) 900-1000nm應該包含在NIR-II窗口內(nei) 。使用PEGylated 1100-Pbs/Cds QDs，其在水中的發射光譜見圖3a，發射譜範圍內(nei) 的積分強度見圖3b。雖然在生物組織內(nei) 900-1000nm相比1000-1100nm散射效應更強，但是生物體(ti) 內(nei) 的水在900-1000nm範圍內(nei) 有更強的吸收(見圖3c)。因此，可以從(cong) 圖3g,e,d,h可以看到，在散射與(yu) 吸收的綜合作用下，900-1000nm的成像效果不弱於(yu) 1000-1100nm。更進一步分析，選取某一條局部的線來比較其SBR，可以知道900-1100nm甚至有略優(you) 的SBR，見圖3f、i。
(2) 水對約1300 nm的不斷增加的光吸收“開啟”了 NIR-II 熒光成像的有前景的新階段 。利用Pbs/CdS CSQDs，其在水中的發射光譜見圖4a，發射譜範圍內(nei) 的積分強度見圖4b。計算的1300-1500nm的熒光強度略低於(yu) 1100-1300nm 的熒光強度，這可能歸咎於(yu) 水的吸收。從(cong) 圖 4c 中可以明顯看出，從(cong) 1100-1300nm到1300-1500nm的轉變不僅(jin) 減少了光子散射，而且顯著提高了光吸收，這將使得背景抑製得到明顯改善。見圖4d,e,g,h,j,k，活體(ti) 小鼠熒光成像時，1300-1500nm比1100-1300nm具有更清晰的圖像效果，圖4f,i,l量化的結果也表明其明顯具有更佳的SBR。這證明了光吸收的顯著增長而不是遞減的光子散射決(jue) 定了NIR-II熒光成像更有前景的階段的開始。
(3) NIR-II成像窗口位於(yu) ~1450nm處的強吸收峰附近 。利用PEGylated 1450-Pbs/CdS QDs,其在水和重水裏的發射光譜見圖5a,其在水中的發射熒光光譜積分強度見圖5b。水在~1450nm附近有強吸收峰1400-1500nm的NIR-IIx窗口和1425-1475nm包含了z強吸收峰。再一次實驗證明，強吸收能夠產(chan) 生更好的SBR，見圖d-q。而~1450nm附近由於(yu) 水的強吸收，以往一直是被認為(wei) 不適合成像。在這裏證明不僅(jin) 適合成像，而且成像質量優(you) 於(yu) NIR-IIb的熒光成像。
深穿透熒光宮腔造影具有無創、空間分辨率高、無電離輻射等多種優(you) 勢，為(wei) 子宮異常和宮內(nei) 病變提供了一種很有前景的診斷方法。此外，膀胱也是泌尿係統中的一個(ge) 中空器官，負責儲(chu) 存和控製尿液。膀胱熒光成像有助於(yu) 精確監測容量變化，這可能與(yu) 包括貯積障礙在內(nei) 的下尿路症狀有關(guan) 。圖6顯示了NIR-IIx熒光成像精確顯現了體(ti) 內(nei) 的深層細節，具有推動臨(lin) 床醫學成像的強大潛力。
(4) 通過 NIR-IIx 區域周圍的熒光寬視野顯微鏡進行大深度斷層掃描。用戶友好的熒光寬視場顯微鏡作為(wei) 一種經典技術，經常用於(yu) 細胞或組織切片成像。近年來，寬視場顯微鏡的成像窗口已轉移到NIR區域。如今，NIR-II熒光寬視場顯微鏡已成功穿透~800μm的大腦深度。然而，盡管成像深度很大，但焦平麵誘導背景外的散射光子和信號光子將細節隱藏在“薄霧”之下。憑借上述水的峰值吸收波長附近的熒光成像出色的SBR和空間分辨率，NIR-IIx區域周圍的寬視場顯微鏡被認為(wei) 具有出色的性能，無需複雜的激發和采集模式。從(cong) 圖7a-p可知1425-1475nm的SBR是非常高的，但是考慮到強烈的光吸收引起有用信號的損失，故將1400-1550nm確認為(wei) 用於(yu) 深層成像時的波段。
使用1400-1550nm對小鼠大腦血管成像，在約~1.3 mm處，仍然存在可識別的血管，這是迄今為(wei) 止小鼠大腦中體(ti) 內(nei) NIR-II熒光顯微鏡z大的成像深度(超過 900 μm，潛在的白質可能成為(wei) 進一步可視化的障礙，圖像細節開始變得稀疏)。
(5) 離峰NIR-II 熒光成像(即使用發射尾端而不是峰值區域)適合使用1400 nm長通 (NIR-IIx + NIR-IIb) 波段。利用IDSe-IC2F，其結構及合成示意見圖8a,b。它的吸收譜見圖8c，發射譜見圖8d。在這裏選用長波通熒光成像，IDSe-IC2F的長波通發射熒光光譜(900-1700nm,1000-1700nm,1100-1700nm,1200-1700nm,1300-1700nm,1400-1700nm,1500-1700nm)積分強度見圖8e。靜脈注射IDSe-IC2F NPs(1mg mL-1, 200 μL)後，在793 nm連續激光激發下對小鼠進行全身成像，相應圖像在900/1000/1100/ 1200/1300/1400/1500-1700nm如圖 8f-l 所示。經過計算（見圖 8m），選定的三根血管在1400nm-LP圖像中顯示出z高的SBR。此外，進一步進行後肢成像，圖8n-t中水吸收峰附近的背景抑製很明顯。所選的兩(liang) 根血管的SBR 在1400-1700nm成像中達到z大值(圖8u)。可以得出結論，NIR-IIx + NIR-IIb(1400-1700nm)成像的性能超過了NIR-IIb成像。此外，900-nm-LP 熒光成像的質量並不比1000nm-LP熒光成像的質量差，這再次表明 900-1000nm不應被排除在NIR-II區域之外。NIR-IIx + NIR-IIb熒光檢測將為(wei) 離峰熒光成像甚至臨(lin) 床成像引導手術帶來新的思路。
參考文獻：Feng, Z., Tang, T., Wu, T. et al. Perfecting and extending the near-infrared imaging window. Light Sci Appl 10, 197 (2021).
DOI：https://doi.org/10.1038/s41377-021-00628-0
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