紅外二區(qū)活體成像優(yōu)化策略：波長(zhǎng)與水吸收的關(guān)系

活體成像的圖像對(duì)比度和穿透深度可以通過(guò)選擇紅外二區(qū)成像波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(duì)比度。
 

 

 

研究背景：長(zhǎng)期以來(lái)，NIR-II體內(nèi)成像由于有較高的組織穿透深度，被認(rèn)為是體內(nèi)研究的最佳成像窗口。然而大多數(shù)組織中的折射率具有不均勻性，使得分辨率降低、信號(hào)減弱，而盡可能在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)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(qū)成像相比，紅外二區(qū)(NIR-II)熒光成像具有更高的熒光團(tuán)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(duì)比度。本文作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熒光波長(zhǎng)在1450nm（水的吸收波長(zhǎng)）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(zhǎng)下3D組織體模中組織散射、組織吸收和熒光對(duì)比度之間的關(guān)系。作者使用了含1%脂質(zhì)的水(H2O)和含1%脂質(zhì)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(zhì)，而D2O的體模表現(xiàn)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(lái)研究散射對(duì)對(duì)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(diǎn)填充兩條玻璃毛細(xì)血管，并將其浸入兩種材料中，用808nm的光激發(fā)，我們發(fā)現(xiàn)只有在1450nm吸收存在的情況下，對(duì)比度才會(huì)隨著波長(zhǎng)的變化而顯著變化(圖1B、1C)。在D2O模型中，對(duì)比度隨著SWIR波長(zhǎng)的增加而略有增加，而在H2O模型中，對(duì)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(duì)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(duì)比度與波長(zhǎng)關(guān)系圖

 

隨后，作者進(jìn)行了活體成像研究了對(duì)比度與波長(zhǎng)的關(guān)系。作者將小鼠的腦血管進(jìn)行標(biāo)記后，使用50nm帶通濾波片對(duì)小鼠的皮膚和頭骨進(jìn)行成像，并對(duì)每個(gè)圖像的對(duì)比度進(jìn)行評(píng)估（圖2A）。我們發(fā)現(xiàn)對(duì)比度隨著波長(zhǎng)的增加到達(dá)1450nm峰值，然后在1450 nm處下降（圖2B），再次證明了對(duì)比度與波長(zhǎng)有關(guān)。

 

圖 2A 小鼠體內(nèi)成像 2B 圖像對(duì)比度與波長(zhǎng)關(guān)系圖

 

接著，作者對(duì)離體體內(nèi)組織中對(duì)比度與穿透深度進(jìn)行了研究。作者將小鼠肝臟的Kupffer細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，用50nm帶通濾波片對(duì)提取組織進(jìn)行成像，成像深度為40、70、100um(圖3A)。通過(guò)對(duì)對(duì)比度與組織穿透深度的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)果與體內(nèi)成像數(shù)據(jù)一致，肝臟顯微鏡圖像在1450nm波長(zhǎng)處有最大的對(duì)比度。此外，我們觀察到，穿透深度也隨著波長(zhǎng)的增加而增大(圖3B、3C)。在淺層(如40 μm)，標(biāo)記的肝臟在所有SWIR波長(zhǎng)下都能形成圖像，但在更深層(如100 μm)成像時(shí)，除了1450 nm處附近的波長(zhǎng)外，大多數(shù)SWIR波長(zhǎng)的圖像對(duì)比度都會(huì)顯著降低。

 

圖 3A 小鼠肝臟成像 3B 圖像對(duì)比度與波長(zhǎng)關(guān)系圖 3C 穿透深度與波長(zhǎng)關(guān)系圖

 

結(jié)論：成像對(duì)比度和穿透深度可以通過(guò)選擇SWIR波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(duì)比度。通過(guò)從吸收波長(zhǎng)處改善對(duì)比度使更深層結(jié)構(gòu)的分辨率提高，從而獲得更大的成像穿透深度。因此，對(duì)比、穿透深度和熒光信號(hào)強(qiáng)度之間的平衡可以通過(guò)在組織吸收特定水平的波長(zhǎng)上選擇性成像來(lái)實(shí)現(xiàn)。這對(duì)于確定紅外成像光譜中的最佳窗口至關(guān)重要。

 

參考文獻(xiàn)
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.

 

⭐ ⭐ ⭐

 

紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system 

高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機(jī)，活體穿透深度高于15mm

高分辨率 - 獨(dú)家定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um

熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us

高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）

多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴(kuò)展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀