De djupt rotade föreställningarna om att ljusabsorption och spridning är helt skadliga för fluorescensfångning uppmanar de flesta forskare att jaga ett perfekt fönster med minimal fotonabsorption och spridning för bioavbildning. På grund av den allmänt accepterade mindre fotonspridningen, fluorescensbioavbildningen i det andra nära-infraröda fönstret (NIR-II) ger beundransvärd bildkvalitet, speciellt när man dechiffrerar de djupt begravda signalerna in vivo. Nu för tiden, NIR-II fluorescensavbildning har redan väglett komplicerad levertumörkirurgi på kliniken. Dock, ljusabsorptionens konstruktiva roll, i viss utsträckning, verkar ignoreras.

Den slutliga presentationen av högkvalitativa bilder gör till och med den överskattade positiva effekten av spridningsundertryckning genom att förlänga våglängden mer övertygande eftersom absorptionen samtidigt anses dämpa signalerna. I själva verket vissa verk har avslöjat absorptionsinducerad upplösningsförbättring i spridningsmediet på grund av nedtryckningen av bakgrundssignaler med lång optisk väg. Men hur man drar full nytta av ljusabsorption för att välja ett lämpligt fluorescensbildfönster förblir ospecificerat.

I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , ett team av forskare, ledd av professor Jun Qian från State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentations, Centrum för optisk och elektromagnetisk forskning, College of Optical Science and Engineering, International Research Center for Advanced Photonics och medarbetare har fulländat mekanismen som står för den utmärkta prestandan hos NIR-II fluorescensavbildning. Genom att simulera NIR-fotonutbredningen i biovävnad, de föreslog innovativt den välpresterande avbildningen i 1400-1500 nm, 1700-1880 nm, och 2080-2340 nm, som definierades som NIR-IIx, NIR-IIc, och det tredje nära-infraröda (NIR-III) fönstret, respektive.

De designade PbS/CdS core-shell quantum dots (CSQDs) med maximal emissionsvåglängd vid ~1100 nm, ~1300 nm, och ~1450 nm användes som avbildningssonder, och de fann att detekteringsområdena runt absorptionstopparna för vatten alltid ger avsevärt förbättrad bildkvalitet, och sålunda fullbordades definitionen av NIR-II-fönstret ytterligare som 900-1880 nm. NIR-IIx-regionen visade sig ge mer överlägsna fluorescensbilder än NIR-IIb-regionen. Med hjälp av ljusabsorption, bredfältsmikro- och makrofluorescensavbildning med utmärkt bildkvalitet utfördes.

Allmän kognition av NIR-II-fönstret vägleder oss att betona spridningsdepressionen med ökningen av våglängden men underskatta den konstruktiva effekten av absorption. I själva verket Ijusabsorbatorerna skulle företrädesvis tömma de multiplicerat spridda fotonerna i utbredning i teorin eftersom spridda fotoner har längre väglängder genom det biologiska mediet än ballistiska fotoner (se figur 1).

Vatten är den viktigaste beståndsdelen i organismer, vars ljusabsorptionsspektrum inom 700-2500 nm (data från Appl. Välja. 32, 3531-3540, 1993) visas i figur 2a. På grund av absorptionstoppen vid ~980 nm, 900-1000 nm bör inte uteslutas från NIR-II-fönstret för bioavbildning. Avbildningen i 1400-1500 nm har inte länge kunnat erkännas, men den höga ljusabsorptionen inom detta band, som kallas NIR-IIx-regionen här, är inte längre barriären i NIR-II-regionen, så länge som de fluorescerande sonderna har tillräckligt med ljusstyrka för att motstå dämpningen av vatten.

För närvarande, fotoresponsen hos den klassiska InGaAs-detektorn begränsar den optiska avbildningen bortom 1700 nm, sålunda definieras NIR-II-fönstret som inte mer än 1700 nm. På grund av liknande absorptions- och spridningsegenskaper, de tror att 1700-1880 nm hade jämförbar bildkvalitet med NIR-IIb-avbildningen och definierar 1700-1880 nm som NIR-IIc-regionen. Över absorptions "berget" som toppar vid ~1930 nm, regionen 2080-2340 nm, som anses vara den tredje nära-infraröda (NIR-III) regionen, blir det sista biofönstret med hög potential i allmänhet eftersom vattenabsorptionen av ljus över 2340 nm håller sig envist hög. Vidare, fotonutbredningen i 1300-1400 nm (NIR-IIa), 1400-1500 nm (NIR-IIx), 1500-1700 nm (NIR-IIb), 1700-1880 nm (NIR-IIc), 1880-2080 nm och 2080-2340 nm (NIR-III) fönster simulerades, med tanke på vattnets absorptionsspektrum och hudens spridningsegenskaper. Som visas i figur 2b-g, förutom den extremt intensiva utarmningen 1880-2080 nm (Figur 2f), stigande ljusabsorption och fallande fotonspridning ger båda positiva bidrag till den exakta avbildningen. NIR-IIx och NIR-III avbildning visar överlägsen bakgrundsdämpningsstyrka.

Den intravitala avbildningen hos möss utfördes för att objektivt utvärdera fluorescensavbildningen med insamling runt 1450 nm. Det kan ses i figur 3a-d att, ju närmare bildfönstret är toppabsorptionen, ju lägre bildbakgrunden. De uppmätta SBR som visas i figur 3e-h bekräftar ytterligare det positiva bidraget från absorptionen. Användarvänlig fluorescensvidfältsmikroskopi, som en klassisk teknik, används ofta för cell- eller vävnadsavbildning. Dock, trots det stora bilddjupet, spridningsfotonerna och signalfotonerna utanför den fokalplansinducerade bakgrunden håller detaljerna gömda under en slöja av "dimma". Resultaten som visas i figur 3i-p, med utmärkt bakgrundsdämpning, bredfältsmikroskopi runt NIR-IIx-regionen har utmärkt prestanda.

NIR-IIb fluorescensavbildning har länge ansetts vara den mest lovande NIR-II fluorescensavbildningstekniken på grund av den undertryckta fotonspridningen fram till dess, men de nya resultaten visar ett större bidrag från stigande absorption än den fallande spridningen och den föreslagna NIR-IIx fluorescensavbildningen ägde optimal prestanda, till och med överskrider NIR-IIb-fluorescensavbildningen.

Dessa forskare sammanfattar sin upptäckt:

"NIR-IIb fluorescensavbildning har länge ansetts vara den mest lovande NIR-II fluorescensavbildningstekniken på grund av den undertryckta fotonspridningen fram till dess, men våra resultat visade nu större bidrag till ökad absorption än den halvmånspridande och NIR-IIx fluorescensbilden som föreslås i detta arbete ägde optimal prestanda, till och med överträffar NIR-IIb fluorescensavbildning"

"Vi trodde att dessa resultat är ganska avgörande för den fortsatta utvecklingen av NIR-fluorescensavbildning."