De diepgewortelde overtuiging dat lichtabsorptie en -verstrooiing totaal schadelijk zijn voor het vangen van fluorescentie, dwingen de meeste onderzoekers om een ​​perfect venster na te jagen met minimale fotonabsorptie en -verstrooiing voor biobeeldvorming. Vanwege de algemeen aanvaarde minder fotonverstrooiing, de fluorescentie-bioimaging in het tweede nabij-infraroodvenster (NIR-II) geeft een bewonderenswaardige beeldkwaliteit, vooral bij het ontcijferen van de diep begraven signalen in vivo. Vandaag de dag, NIR-II fluorescentiebeeldvorming heeft al gecompliceerde levertumorchirurgie in de kliniek geleid. Echter, de constructieve rol van lichtabsorptie, tot op zekere hoogte, lijkt te worden genegeerd.

De uiteindelijke presentatie van afbeeldingen van hoge kwaliteit maakt zelfs het overdreven positieve effect van verstrooiingsonderdrukking door de golflengte te verlengen overtuigender, aangezien de gelijktijdige absorptie geacht wordt de signalen te verzwakken. Eigenlijk, sommige werken hebben absorptie-geïnduceerde resolutieverbetering in de verstrooiende media onthuld als gevolg van het onderdrukken van achtergrondsignalen met een lang optisch pad. Maar hoe je volledig kunt profiteren van lichtabsorptie om een ​​geschikt fluorescentiebeeldvormingsvenster te selecteren, blijft niet gespecificeerd.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Jun Qian van State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentations, Centrum voor Optisch en Elektromagnetisch Onderzoek, College van optische wetenschappen en techniek, International Research Center for Advanced Photonics en medewerkers hebben het mechanisme geperfectioneerd dat verantwoordelijk is voor de uitstekende prestaties van NIR-II-fluorescentiebeeldvorming. Door de NIR-fotonvoortplanting in bioweefsel te simuleren, ze hebben op innovatieve wijze de goed presterende beeldvorming in 1400-1500 nm voorgesteld, 1700-1880 nm, en 2080-2340 nm, die werden gedefinieerd als NIR-IIx, NIR-IIc, en het derde nabij-infrarood (NIR-III) venster, respectievelijk.

De ontworpen PbS/CdS core-shell quantum dots (CSQD's) met een piekemissiegolflengte bij ~1100 nm, ~1300 nm, en ~ 1450 nm werden gebruikt als de beeldsondes, en ze ontdekten dat de detectiegebieden rond de absorptiepieken van water altijd een sterk verbeterde beeldkwaliteit opleveren, en dus werd de definitie van het NIR-II-venster verder geperfectioneerd als 900-1880 nm. Het NIR-IIx-gebied bleek betere fluorescentiebeelden te verschaffen dan het NIR-IIb-gebied. Met behulp van lichtabsorptie, breedveld micro- en macrofluorescentiebeeldvorming met uitstekende beeldkwaliteit werden uitgevoerd.

Algemene kennis van het NIR-II-venster leidt ons ertoe de verstrooiingsdepressie te benadrukken met de toename van de golflengte, maar het constructieve effect van absorptie te onderschatten. Eigenlijk, de lichtabsorbeerders zouden in theorie bij voorkeur de meervoudig verstrooide fotonen in de voortplanting uitputten, aangezien verstrooide fotonen langere weglengten door het biologische medium hebben dan ballistische fotonen (zie figuur 1).

Water is het belangrijkste bestanddeel van organismen, waarvan het lichtabsorptiespectrum binnen 700-2500 nm (gegevens van toepassing opt. 32, 3531-3540, 1993) wordt getoond in figuur 2a. Vanwege de absorptiepiek bij ~980 nm, 900-1000 nm mag niet worden uitgesloten van het NIR-II-venster voor bio-imaging. De beeldvorming in 1400-1500 nm is niet lang erkend, maar de hoge lichtabsorptie binnen deze band, die hier wordt genoemd als NIR-IIx-gebied, is niet langer de barrière in de NIR-II-regio, zolang de fluorescerende sondes voldoende helderheid hebben om de verzwakking door water te weerstaan.

Momenteel, de fotorespons van de klassieke InGaAs-detector beperkt de optische beeldvorming tot voorbij 1700 nm, dus het NIR-II-venster wordt gedefinieerd als niet meer dan 1700 nm. Vanwege de vergelijkbare absorptie- en verstrooiingseigenschappen, zij geloven dat 1700-1880 nm een ​​vergelijkbare beeldkwaliteit bezat met de NIR-IIb-beeldvorming en definiëren 1700-1880 nm als het NIR-IIc-gebied. Over de absorptie "berg" met een piek van ~ 1930 nm, het gebied van 2080-2340 nm, die wordt beschouwd als het derde nabij-infrarood (NIR-III) gebied, wordt in het algemeen het laatste bio-venster met een hoog potentieel, omdat de waterabsorptie van licht voorbij 2340 nm hardnekkig hoog blijft. Verder, de fotonvoortplanting in 1300-1400 nm (NIR-IIa), 1400-1500 nm (NIR-IIx), 1500-1700 nm (NIR-IIb), 1700-1880 nm (NIR-IIc), 1880-2080 nm en 2080-2340 nm (NIR-III) venster werden gesimuleerd, rekening houdend met het absorptiespectrum van water en de verstrooiingseigenschap van de huid. Zoals weergegeven in figuur 2b-g, behalve de extreem intense uitputting in 1880-2080 nm (Figuur 2f), stijgende lichtabsorptie en dalende fotonverstrooiing leveren beide een positieve bijdrage aan de precieze beeldvorming. De NIR-IIx- en NIR-III-beeldvorming tonen superieure achtergrondverzwakkingssterkte.

De intravitale beeldvorming bij muizen werd uitgevoerd om de fluorescentiebeeldvorming objectief te evalueren met een verzameling rond 1450 nm. In figuur 3a-d is te zien dat, hoe dichter het beeldvenster bij de piekabsorptie ligt, hoe lager de afbeeldingsachtergrond. De gemeten SBR's weergegeven in figuur 3e-h bevestigen verder de positieve bijdrage van de absorptie. Gebruiksvriendelijke fluorescentie-breedveldmicroscopie, als klassieke techniek, wordt vaak gebruikt voor beeldvorming van cellen of weefsels. Echter, ondanks de grote beelddiepte, de verstrooiende fotonen en de signaalfotonen buiten de door het brandvlak geïnduceerde achtergrond houden de details verborgen onder een sluier van "mist". De resultaten getoond in figuur 3i-p, met uitstekende achtergronddemping, breedveldmicroscopie rond het NIR-IIx-gebied heeft uitstekende prestaties.

NIR-IIb-fluorescentiebeeldvorming wordt lange tijd beschouwd als de meest veelbelovende NIR-II-fluorescentiebeeldvormingstechniek vanwege de onderdrukte fotonverstrooiing tot dan toe, maar de nieuwe resultaten bewijzen een grotere bijdrage van stijgende absorptie dan de afnemende verstrooiing en de NIR-IIx fluorescentiebeeldvorming voorgestelde optimale prestaties, zelfs meer dan de NIR-IIb fluorescentiebeeldvorming.

Deze wetenschappers vatten hun ontdekking samen:

"NIR-IIb-fluorescentiebeeldvorming wordt lang beschouwd als de meest veelbelovende NIR-II-fluorescentiebeeldvormingstechniek vanwege de onderdrukte fotonverstrooiing tot dan toe, maar onze resultaten toonden nu een grotere bijdrage van stijgende absorptie aan dan de afnemende verstrooiing en de NIR-IIx-fluorescentiebeeldvorming die in dit werk werd voorgesteld, bezat optimale prestaties, zelfs meer dan de NIR-IIb fluorescentiebeeldvorming"

"We waren van mening dat deze resultaten behoorlijk cruciaal zijn voor de verdere ontwikkeling van NIR-fluorescentiebeeldvorming."