Perfektion og udvidelse af det nær-infrarøde billedvindue

Den dybt rodfæstede overbevisning om, at lysabsorbering og spredning er totalt skadeligt for fluorescens, fanger de fleste forskere til at jagte et perfekt vindue med minimal fotonabsorption og spredning til biobilleder. På grund af den generelt accepterede mindre foton -spredning, fluorescensbioimaging i det andet nær-infrarøde vindue (NIR-II) giver beundringsværdig billedkvalitet, især når man tyder de dybt begravede signaler in vivo. I dag, NIR-II fluorescensbilleddannelse har allerede styret kompliceret levertumoroperation i klinikken. Imidlertid, lysabsorptionens konstruktive rolle, til en vis grad, synes at blive ignoreret.

Den endelige præsentation af billeder i høj kvalitet gør endda den overdrevne positive effekt af spredningssuppression ved at forlænge bølgelængden mere overbevisende, da absorptionen samtidig anses for at dæmpe signalerne. Faktisk, nogle værker har afsløret absorptionsinduceret opløsningsforbedring i spredningsmedierne på grund af nedtrykningen af ​​baggrundsignaler med lang optisk vej. Alligevel er det uspecificeret, hvordan man udnytter lysabsorberingen fuldt ud til at vælge et passende fluorescensbilledvindue.

I et nyt papir udgivet i Let videnskab og applikation , et hold forskere, ledet af professor Jun Qian fra State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentations, Center for Optisk og Elektromagnetisk Forskning, College of Optical Science and Engineering, International Research Center for Advanced Photonics og kolleger har perfektioneret mekanismen, der tegner sig for den fremragende ydeevne af NIR-II fluorescensbilleddannelse. Ved at simulere NIR-fotonudbredelsen i biovæv, de foreslog innovativt den velydende billeddannelse i 1400-1500 nm, 1700-1880 nm, og 2080-2340 nm, som blev defineret som NIR-IIx, NIR-IIc, og det tredje nær-infrarøde (NIR-III) vindue, henholdsvis.

De designede PbS/CdS-kerneskal-kvantepunkter (CSQD'er) med spidsemissionsbølgelængde ved ~ 1100 nm, ~ 1300 nm, og ~ 1450 nm blev brugt som billeddannelsesprober, og de fandt påvisningsområderne omkring vandets absorptionstoppe altid med en stærkt forbedret billedkvalitet, og således blev definitionen af ​​NIR-II-vinduet yderligere perfektioneret som 900-1880 nm. NIR-IIx-regionen viste sig at give mere overlegne fluorescensbilleder end NIR-IIb-regionen. Ved hjælp af lysabsorbering, brede felt mikro- og makrofluorescensbilleddannelse med fremragende billedkvalitet blev udført.

Generel erkendelse af NIR-II vinduet guider os til at understrege spredningsdepressionen med stigningen i bølgelængden, men undervurderer den konstruktive virkning af absorption. Faktisk, lysabsorberne vil fortrinsvis nedbryde de multiplicerede spredte fotoner i teoripropagering, da spredte fotoner har længere vejlængder gennem det biologiske medium end ballistiske fotoner (se figur 1).

Vand er den vigtigste komponent i organismer, hvis lysabsorptionsspektrum inden for 700-2500 nm (data fra Appl. Opt. 32, 3531-3540, 1993) er vist i figur 2a. På grund af absorptionstoppen ved ~ 980 nm, 900-1000 nm bør ikke udelukkes fra NIR-II-vinduet til bio-billeddannelse. Billeddannelsen i 1400-1500 nm er ikke længe blevet anerkendt, men den høje lysabsorption i dette bånd, som kaldes som NIR-IIx-region her, er ikke længere barrieren i NIR-II-regionen, så længe de fluorescerende prober besidder lysstyrke nok til at modstå dæmpning med vand.

På nuværende tidspunkt, fotoresponsen fra den klassiske InGaAs -detektor begrænser den optiske billeddannelse ud over 1700 nm, således er NIR-II vinduet defineret som ikke mere end 1700 nm. På grund af de samme absorptions- og spredningsegenskaber, de mener, at 1700-1880 nm havde en sammenlignelig billedkvalitet med NIR-IIb-billeddannelsen og definerer 1700-1880 nm som NIR-IIc-regionen. Over absorptionen "bjerg" toppede ved ~ 1930 nm, området 2080-2340 nm, som betragtes som den tredje nær-infrarøde (NIR-III) region, bliver det sidste biopotentiale med stort potentiale generelt, da vandabsorptionen af ​​lys ud over 2340 nm holder stædigt højt. Desuden, fotonudbredelsen i 1300-1400 nm (NIR-IIa), 1400-1500 nm (NIR-IIx), 1500-1700 nm (NIR-IIb), 1700-1880 nm (NIR-IIc), 1880-2080 nm og 2080-2340 nm (NIR-III) vindue blev simuleret, i betragtning af vandets absorptionsspektrum og hudens spredningsejendom. Som vist i figur 2b-g, bortset fra den ekstremt intense udtømning i 1880-2080 nm (figur 2f), stigende lysabsorption og faldende foton -spredning leverer begge positive bidrag til den præcise billeddannelse. NIR-IIx og NIR-III-billeddannelsen viser overlegen baggrundsdæmpningsstyrke.

Den intravital billeddannelse i mus blev udført for objektivt at evaluere fluorescensbilleddannelsen med opsamling omkring 1450 nm. Det kunne ses i figur 3a-d, at, jo tættere billedvinduet er for maksimal absorption, jo lavere billedbaggrund. De målte SBR'er vist i figur 3e-h bekræfter yderligere det positive bidrag fra absorptionen. Brugervenlig fluorescens vidfeltmikroskopi, som en klassisk teknik, bruges ofte til billeddannelse af celle- eller vævsskiver. Imidlertid, trods den store billeddybde, de spredende fotoner og signalfotoner uden for fokalplaninduceret baggrund holder detaljerne skjult under et slør af "tåge". Resultaterne vist i figur 3i-p, med fremragende baggrundsdæmpning, bredfeltmikroskopi omkring NIR-IIx-regionen har fremragende ydeevne.

NIR-IIb fluorescensbilleddannelse har længe været betragtet som den mest lovende NIR-II fluorescensbilledteknik på grund af den undertrykte foton-spredning indtil da, men de nye resultater viser større bidrag til stigende absorption end den forfaldne spredning og den foreslåede NIR-IIx fluorescensbilleddannelse ejede optimal ydeevne, endda overskrider NIR-IIb fluorescensbilleddannelsen.

Disse forskere opsummerer deres opdagelse:

"NIR-IIb fluorescensbilleddannelse har længe været betragtet som den mest lovende NIR-II fluorescensbilledteknik på grund af den undertrykte foton-spredning indtil da, men vores resultater viste nu større bidrag til stigende absorption end den halvmåne spredning og NIR-IIx fluorescensbilleddannelse foreslået i dette arbejde ejede optimal ydeevne, endda overskrider NIR-IIb fluorescensbilleddannelsen "

"Vi troede, at disse resultater er temmelig afgørende for den videre udvikling af NIR fluorescensbilleddannelse."