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窗口至關(guān)重要,。

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NIR-II in vivo imaging system 

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