利用1880-2080納米窗口進行高對比度活體熒光成像的新方法
近紅外二區（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勢，在活體生物成像領域展現出巨大潛力。然而，傳統上認為波長超過1880納米的區域由于水吸收峰（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納米窗口進行高對比度活體熒光成像的新方法。模擬和實驗均證實，水吸收能有效抑制散射背景信號，提升成像對比度。此外，研究還擴展到脂肪組織環境，發現1700-2080納米窗口因適中的吸收和低散射特性，能提供最優成像質量。這項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。
本論文的重要發現者包括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》期刊在線發表。
重要發現
01光學成像原理與模擬探索
光子在生物組織中傳播時，會經歷散射和吸收兩種主要過程。傳統觀點認為兩者均會劣化成像質量，但近年研究發現，吸收能優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，若熒光信號足夠強以克服吸收衰減，這些高吸收區域反而能通過抑制背景噪聲來增強對比度。為驗證這一假設，研究團隊采用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。模擬結果顯示，NIR-IIx和1880-2080納米窗口的SBR和結構相似性指數（SSIM）均顯著優于其他窗口，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作用，表現出極低的背景干擾和高對比度。
為將模擬結果轉化為實際應用，研究團隊合成了水溶性核殼結構PbS/CdS量子點（QDs）作為熒光探針。這些量子點通過聚乙二醇（PEG）修飾后，具備良好的生物相容性和長波長發射特性（如1700納米峰值）。通過靜脈注射混合量子點至小鼠體內，對腿部血管進行多窗口熒光成像。實驗發現，在1400-1500納米和1880-2080納米窗口下，圖像背景顯著降低，SBR分別達到2.77和2.91，優于其他窗口。值得注意的是，1880-2080納米窗口雖面臨1930納米水吸收峰的挑戰，但通過使用1064納米激光激發（其最大允許曝光功率較高）和亮熒光探針，成功克服了信號衰減，實現了活體血管的高清成像。
03多通道成像與背景抑制應用
在生物成像中，深層組織（如肝臟）的熒光背景常干擾淺表目標（如血管）的檢測。模擬和實驗均表明，1880-2080納米窗口因水吸收對長路徑光子的強衰減作用，能有效抑制深層背景。例如，當小鼠肝臟區域因量子點積累形成亮背景時，NIR-IIx和1880-2080納米窗口仍能清晰分辨淺表血管，SBR分別達1.17和1.21，而其他窗口則難以區分信號與背景。基于此優勢，研究團隊實現了1400-1500納米和1880-2080納米窗口的雙通道成像：通過腹腔注射1450QD標記腹部組織，靜脈注射1700QD標記血管，成功獲取了無串擾的高對比度圖像，證明了該技術在多目標同步監測中的潛力。
04脂肪組織中的成像窗口優化
生物組織成分多樣，脂肪作為人體主要組成（占體重約20%），其光學參數（吸收與散射）與水差異顯著。通過測量豬脂肪組織的光學譜，團隊發現1700-2080納米窗口在脂肪中具有適中的吸收和低散射特性。模擬成像顯示，該窗口在1-3毫米厚度脂肪層下均保持高SBR和SSIM。體外實驗進一步驗證：將填充量子點的毛細管埋入脂肪組織，1700-2080納米窗口的成像對比度最佳，背景噪聲最低。活體實驗中，以兔子膽管為模型，覆蓋2毫米厚豬脂肪模擬肥胖條件下的成像環境，1700-2080納米窗口仍能清晰勾勒膽管結構，而傳統窗口（900-1700納米）則因散射干擾難以分辨。這表明該窗口在脂肪豐富環境中具有獨特優勢，為臨床手術（如腹腔鏡膽囊切除術）提供了可靠成像工具。
創新與亮點
01突破傳統成像窗口限制
本研究首次將熒光成像窗口擴展至1880-2080納米區域，突破了長期以來認為高水吸收峰（如1930納米）阻礙成像的傳統觀念。通過理論創新，證明了吸收在特定條件下能轉化為成像優勢，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。與現有技術相比，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制，實現了比NIR-IIx窗口更優的對比度，尤其在淺表目標成像中表現突出。
技術層面，研究團隊開發了高性能PbS/CdS量子點探針，其核殼結構有效保護了熒光核心，并通過PEG修飾提升生物相容性。結合1064納米激光策略，克服了信號衰減難題。在應用上，該技術適用于復雜生物環境：例如，在肝臟背景干擾下可視化血管，或在脂肪組織中實現深部結構成像。多通道成像能力的演示，進一步展現了其在多目標跟蹤和臨床診斷中的潛力，為精準醫療提供了新工具。
03光學生物醫療價值
這項工作的核心價值在于將基礎光學原理與臨床需求緊密結合。通過量化不同組織的吸收-散射特性，提出了組織特異性的成像窗口選擇準則。例如，在脂肪豐富的手術場景中，1700-2080納米窗口能顯著提升成像清晰度，降低手術風險。這種“組織自適應”成像策略，可推廣至其他生物介質（如腫瘤組織），推動個性化醫療發展。此外，研究強調信號補償策略（如增強探針亮度），為后續熒光探針設計提供了指導，加速了NIR-II技術向臨床轉化。
總結與展望
本研究通過模擬與實驗相結合，系統論證了1880-2080納米窗口在活體熒光成像中的高對比度優勢，并成功將其應用于脂肪組織環境，擴展了成像窗口至1700-2080納米。工作不僅深化了對光吸收-散射相互作用的理解，還提供了實踐可行的成像方案。未來，研究可進一步探索更亮的長波長熒光探針，以充分發揮高吸收窗口的潛力；同時，結合人工智能算法優化圖像處理，提升深組織成像分辨率。隨著光學設備的小型化和低成本化，這項技術有望廣泛應用于術中導航、疾病早期診斷等領域，推動生物醫學成像進入新紀元。
聲明：本文僅用作學術目的。
Li J, Xia Q, Wu T, Zhang Y, Peng S, Li Y, Li Y, Lin H, Zhang M, Qian J. High-contrast in vivo fluorescence imaging exploiting wavelengths beyond 1880 nm. Nat Commun. 2025 May 13;16(1):4436.
DOI:10.1038/s41467-025-59630-4.
