As crenças arraigadas de que a absorção e o espalhamento da luz são totalmente prejudiciais à captura da fluorescência incitam a maioria dos pesquisadores a buscar uma janela perfeita com absorção e dispersão mínima de fótons para bioimagem. Devido ao menos espalhamento de fótons geralmente aceito, a bioimagem de fluorescência na segunda janela do infravermelho próximo (NIR-II) oferece uma qualidade de imagem admirável, especialmente ao decifrar os sinais enterrados profundamente in vivo. Hoje em dia, A imagem de fluorescência NIR-II já orientou cirurgias complicadas de tumor de fígado na clínica. Contudo, o papel construtivo da absorção de luz, até certo ponto, parece ser ignorado.

A apresentação final de imagens de alta qualidade torna ainda mais convincente o exagerado efeito positivo da supressão de espalhamento ao alongar o comprimento de onda, uma vez que se considera que a absorção simultaneamente atenua os sinais. De fato, alguns trabalhos revelaram aumento de resolução induzida por absorção na mídia de espalhamento devido à depressão de sinais de fundo de longo caminho óptico. No entanto, como tirar o máximo proveito da absorção de luz para selecionar uma janela de imagem de fluorescência adequada permanece não especificado.

Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicação , uma equipe de cientistas, liderado pelo Professor Jun Qian do Laboratório Estadual de Instrumentações Óticas Modernas, Centro de Pesquisa Ótica e Eletromagnética, Faculdade de Ciências Ópticas e Engenharia, O Centro Internacional de Pesquisa para Fotônica Avançada e colegas de trabalho aperfeiçoaram o mecanismo responsável pelo excelente desempenho da imagem de fluorescência NIR-II. Simulando a propagação de fótons NIR no bio-tecido, eles propuseram de forma inovadora a imagem de bom desempenho em 1400-1500 nm, 1700-1880 nm, e 2080-2340 nm, que foram definidos como NIR-IIx, NIR-IIc, e a terceira janela de infravermelho próximo (NIR-III), respectivamente.

Os pontos quânticos de núcleo-casca de PbS / CdS projetados (CSQDs) com comprimento de onda de emissão de pico em ~ 1100 nm, ~ 1300 nm, e ~ 1450 nm foram usados ​​como sondas de imagem, e eles descobriram que as regiões de detecção em torno dos picos de absorção de água sempre fornecem uma qualidade de imagem muito melhor, e, portanto, a definição da janela NIR-II foi aperfeiçoada como 900-1880 nm. A região NIR-IIx provou fornecer imagens de fluorescência mais superiores do que a região NIR-IIb. Com a ajuda da absorção de luz, Imagens de campo amplo de micro e macrofluorescência com excelente qualidade de imagem foram realizadas.

A cognição geral da janela NIR-II nos orienta a enfatizar a depressão de espalhamento com o aumento do comprimento de onda, mas subestimar o efeito construtivo da absorção. De fato, os absorvedores de luz iriam preferencialmente esgotar os fótons multiplamente espalhados na propagação, em teoria, uma vez que os fótons espalhados têm percursos mais longos através do meio biológico do que os fótons balísticos (veja a Figura 1).

A água é o componente mais importante dos organismos, cujo espectro de absorção de luz dentro de 700-2500 nm (dados de Appl. Optar. 32, 3531-3540, 1993) é mostrado na Figura 2a. Por causa do pico de absorção em ~ 980 nm, 900-1000 nm não devem ser excluídos da janela NIR-II para bioimagem. A imagem em 1400-1500 nm não foi reconhecida há muito tempo, mas a alta absorção de luz dentro desta banda, que é chamada de região NIR-IIx aqui, não é mais a barreira na região NIR-II, desde que as sondas fluorescentes possuam brilho suficiente para resistir à atenuação pela água.

Atualmente, a fotorresposta do detector clássico InGaAs limita a imagem óptica além de 1700 nm, assim, a janela NIR-II é definida como não mais do que 1700 nm. Por causa das propriedades semelhantes de absorção e espalhamento, eles acreditam que 1700-1880 nm possuíam qualidade de imagem comparável com a imagem NIR-IIb e definem 1700-1880 nm como a região NIR-IIc. Acima da "montanha" de absorção com pico em ~ 1930 nm, a região de 2080-2340 nm, que é considerada a terceira região do infravermelho próximo (NIR-III), torna-se a última biojanela de alto potencial em geral, uma vez que a absorção de água da luz além de 2340 nm se mantém teimosamente alta. Além disso, a propagação de fótons em 1300-1400 nm (NIR-IIa), 1400-1500 nm (NIR-IIx), 1500-1700 nm (NIR-IIb), 1700-1880 nm (NIR-IIc), As janelas de 1880-2080 nm e 2080-2340 nm (NIR-III) foram simuladas, considerando o espectro de absorção da água e a propriedade de espalhamento da pele. Conforme mostrado na Figura 2b-g, exceto para a depleção extremamente intensa em 1880-2080 nm (Figura 2f), a crescente absorção de luz e a queda do espalhamento de fótons contribuem positivamente para a obtenção de imagens precisas. As imagens NIR-IIx e NIR-III mostram força de atenuação de fundo superior.

A imagem intravital em camundongos foi realizada para avaliar objetivamente a imagem de fluorescência com coleta em torno de 1450 nm. Pode-se ver na Figura 3a-d que, quanto mais próxima a janela de imagem estiver do pico de absorção, quanto mais baixo for o fundo da imagem. Os SBRs medidos mostrados na Figura 3e-h confirmam ainda mais a contribuição positiva da absorção. Microscopia de fluorescência de campo amplo de fácil utilização, como uma técnica clássica, é frequentemente utilizado para imagens de células ou fatias de tecido. Contudo, apesar da grande profundidade de imagem, os fótons dispersos e os fótons sinalizadores fora do plano de fundo induzido pelo plano focal mantêm os detalhes ocultos sob um véu de "névoa". Os resultados mostrados na Figura 3i-p, com excelente atenuação de fundo, a microscopia de campo amplo ao redor da região NIR-IIx possui excelente desempenho.

A imagem de fluorescência NIR-IIb tem sido considerada a técnica de imagem de fluorescência NIR-II mais promissora devido ao espalhamento de fótons suprimido até então, mas os novos resultados provam uma maior contribuição da absorção crescente do que o espalhamento decrescente e a imagem de fluorescência NIR-IIx proposta possuía um desempenho ideal, mesmo excedendo a imagem de fluorescência NIR-IIb.

Esses cientistas resumem sua descoberta:

"A imagem de fluorescência NIR-IIb tem sido considerada a técnica de imagem de fluorescência NIR-II mais promissora devido ao espalhamento de fótons suprimido até então, mas nossos resultados agora provaram uma maior contribuição da absorção crescente do que o espalhamento decrescente e a imagem de fluorescência NIR-IIx proposta neste trabalho possuía um desempenho ideal, mesmo excedendo a imagem de fluorescência NIR-IIb "

"Acreditamos que esses resultados são cruciais para o desenvolvimento de imagens de fluorescência NIR."