利用1880-2080納米窗口進(jìn)行高對比度活體熒光成像的新方法

近紅外二區(qū)（NIR-II，900-1880納米）熒光成像因其低光子散射和弱生物自體熒光等優(yōu)勢，在活體生物成像領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，傳統(tǒng)上認(rèn)為波長超過1880納米的區(qū)域由于水吸收峰（如1930納米）的存在而不適合成像。本研究通過重新審視光吸收對成像的影響，提出利用1880-2080納米窗口進(jìn)行高對比度活體熒光成像的新方法。模擬和實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，水吸收能有效抑制散射背景信號，提升成像對比度。此外，研究還擴(kuò)展到脂肪組織環(huán)境，發(fā)現(xiàn)1700-2080納米窗口因適中的吸收和低散射特性，能提供最優(yōu)成像質(zhì)量。這項(xiàng)工作深化了光吸收與散射在生物成像中相互作用的理解，為選擇最佳成像窗口提供了新思路。

本論文的重要發(fā)現(xiàn)者包括Jiayi Li、Qiming Xia、Tianxiang Wu、Yuhuang Zhang、Shiyi Peng、Yifei Li、Yixuan Li、Hui Lin、Mingxi Zhang和Jun Qian。他們共同發(fā)表的論文題為“High-contrast in vivo fluorescence imaging exploiting wavelengths beyond 1880 nm”，于2025年5月在《Nature Communications》期刊在線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01光學(xué)成像原理與模擬探索
光子在生物組織中傳播時，會經(jīng)歷散射和吸收兩種主要過程。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為兩者均會劣化成像質(zhì)量，但近年研究發(fā)現(xiàn)，吸收能優(yōu)先衰減多次散射的光子，從而提升信號與背景比（SBR）。水作為生物體主要成分，其吸收譜在1450納米和1930納米附近存在峰值；理論表明，若熒光信號足夠強(qiáng)以克服吸收衰減，這些高吸收區(qū)域反而能通過抑制背景噪聲來增強(qiáng)對比度。為驗(yàn)證這一假設(shè)，研究團(tuán)隊(duì)采用Monte Carlo模擬方法，比較了1200-1300納米、1300-1400納米（NIR-IIa）、1400-1500納米（NIR-IIx）、1500-1700納米（NIR-IIb）、1700-1880納米（NIR-IIc）和1880-2080納米窗口的成像效果。模擬結(jié)果顯示，NIR-IIx和1880-2080納米窗口的SBR和結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)（SSIM）均顯著優(yōu)于其他窗口，尤其是1880-2080納米窗口因波長紅移帶來的散射抑制和水吸收的增強(qiáng)作用，表現(xiàn)出極低的背景干擾和高對比度。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破傳統(tǒng)成像窗口限制
本研究首次將熒光成像窗口擴(kuò)展至1880-2080納米區(qū)域，突破了長期以來認(rèn)為高水吸收峰（如1930納米）阻礙成像的傳統(tǒng)觀念。通過理論創(chuàng)新，證明了吸收在特定條件下能轉(zhuǎn)化為成像優(yōu)勢，而非單純衰減因素。這不僅重新定義了NIR-II的邊界，還為長波長熒光成像開辟了新方向。與現(xiàn)有技術(shù)相比，新窗口利用波長紅移的散射抑制和水吸收的背景衰減雙重機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了比NIR-IIx窗口更優(yōu)的對比度，尤其在淺表目標(biāo)成像中表現(xiàn)突出。

總結(jié)與展望
本研究通過模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，系統(tǒng)論證了1880-2080納米窗口在活體熒光成像中的高對比度優(yōu)勢，并成功將其應(yīng)用于脂肪組織環(huán)境，擴(kuò)展了成像窗口至1700-2080納米。工作不僅深化了對光吸收-散射相互作用的理解，還提供了實(shí)踐可行的成像方案。未來，研究可進(jìn)一步探索更亮的長波長熒光探針，以充分發(fā)揮高吸收窗口的潛力；同時，結(jié)合人工智能算法優(yōu)化圖像處理，提升深組織成像分辨率。隨著光學(xué)設(shè)備的小型化和低成本化，這項(xiàng)技術(shù)有望廣泛應(yīng)用于術(shù)中導(dǎo)航、疾病早期診斷等領(lǐng)域，推動生物醫(yī)學(xué)成像進(jìn)入新紀(jì)元。

DOI:10.1038/s41467-025-59630-4.