紅外二區活體成像優化策略：波長與水吸收的關系

活體成像的圖像對比度和穿透深度可以通過選擇紅外二區成像波長進行調節。在NIR-II波段中，水的吸收峰值(接近1450 nm)處，成像可以獲得最高的圖像對比度。
 

 

 

研究背景：長期以來，NIR-II體內成像由于有較高的組織穿透深度，被認為是體內研究的最佳成像窗口。然而大多數組織中的折射率具有不均勻性，使得分辨率降低、信號減弱，而盡可能在更長的波長下成像可以最大程度地減少散射的影響。與可見光和近紅外二區成像相比，紅外二區(NIR-II)熒光成像具有更高的熒光團敏感性、更高的組織穿透深度和更大的空間分辨率，這大大提高了圖像的對比度。本文作者通過實驗，發現熒光波長在1450nm（水的吸收波長）左右，可以獲得最佳的活體成像信背比。

 

首先，作者研究了在SWIR波長下3D組織體模中組織散射、組織吸收和熒光對比度之間的關系。作者使用了含1%脂質的水(H2O)和含1%脂質的氧化氘(D2O)兩種液體組織模型。H2O的體模具有散射和吸收的性質，而D2O的體模表現出近似相等的散射特性，但在1450nm處沒有吸收(圖1A)。因此，我們使用D2O體模來研究散射對對比度的影響，而H2O體模則是在1450nm存在吸收的情況下散射的影響。我們用混合熒光量子點填充兩條玻璃毛細血管，并將其浸入兩種材料中，用808nm的光激發，我們發現只有在1450nm吸收存在的情況下，對比度才會隨著波長的變化而顯著變化(圖1B、1C)。在D2O模型中，對比度隨著SWIR波長的增加而略有增加，而在H2O模型中，對比度總體上增加，并大幅增加到1450 nm，隨后在1600 nm處降低。這表明存在1450nm吸收的情況下能大大提高圖像對比度。

 

圖 1A 組織體模材料的光譜  1B 組織體模材料的成像  1C 圖像對比度與波長關系圖

 

隨后，作者進行了活體成像研究了對比度與波長的關系。作者將小鼠的腦血管進行標記后，使用50nm帶通濾波片對小鼠的皮膚和頭骨進行成像，并對每個圖像的對比度進行評估（圖2A）。我們發現對比度隨著波長的增加到達1450nm峰值，然后在1450 nm處下降（圖2B），再次證明了對比度與波長有關。

 

圖 2A 小鼠體內成像 2B 圖像對比度與波長關系圖

 

接著，作者對離體體內組織中對比度與穿透深度進行了研究。作者將小鼠肝臟的Kupffer細胞進行標記，用50nm帶通濾波片對提取組織進行成像，成像深度為40、70、100um(圖3A)。通過對對比度與組織穿透深度的計算，我們發現結果與體內成像數據一致，肝臟顯微鏡圖像在1450nm波長處有最大的對比度。此外，我們觀察到，穿透深度也隨著波長的增加而增大(圖3B、3C)。在淺層(如40 μm)，標記的肝臟在所有SWIR波長下都能形成圖像，但在更深層(如100 μm)成像時，除了1450 nm處附近的波長外，大多數SWIR波長的圖像對比度都會顯著降低。

 

圖 3A 小鼠肝臟成像 3B 圖像對比度與波長關系圖 3C 穿透深度與波長關系圖

 

結論：成像對比度和穿透深度可以通過選擇SWIR波長進行調節。在SWIR中，在水的吸收峰值(接近1450 nm)處成像可以獲得最高的圖像對比度。通過從吸收波長處改善對比度使更深層結構的分辨率提高，從而獲得更大的成像穿透深度。因此，對比、穿透深度和熒光信號強度之間的平衡可以通過在組織吸收特定水平的波長上選擇性成像來實現。這對于確定紅外成像光譜中的最佳窗口至關重要。

 

參考文獻
Carr, J. A., et al. (2018). "Absorption by water increases fluorescence image contrast of biological tissue in the shortwave infrared." Proceedings of the National Academy of Sciences 115(37): 9080-9085.

 

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