Le convinzioni profondamente radicate secondo cui l'assorbimento e la diffusione della luce sono totalmente dannosi per la cattura della fluorescenza spingono la maggior parte dei ricercatori a inseguire una finestra perfetta con un assorbimento e una dispersione di fotoni minimi per il bioimaging. A causa della minore diffusione di fotoni generalmente accettata, il bioimaging a fluorescenza nella seconda finestra nel vicino infrarosso (NIR-II) offre una qualità dell'immagine ammirevole, specialmente quando si decifrano i segnali sepolti in profondità in vivo. Oggi, L'imaging a fluorescenza NIR-II ha già guidato la complicata chirurgia del tumore al fegato in clinica. Però, il ruolo costruttivo dell'assorbimento della luce, in una certa misura, sembra essere ignorato.

La presentazione finale di immagini di alta qualità rende persino più convincente l'effetto positivo sopravvalutato della soppressione della dispersione mediante l'allungamento della lunghezza d'onda, poiché si ritiene che l'assorbimento simultaneo attenui i segnali. Infatti, alcuni lavori hanno rivelato un miglioramento della risoluzione indotto dall'assorbimento nei mezzi di diffusione a causa della depressione dei segnali di fondo a lungo percorso ottico. Tuttavia, non è stato specificato come sfruttare appieno l'assorbimento della luce per selezionare una finestra di imaging a fluorescenza adatta.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazione della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Jun Qian dello State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentations, Centro per la ricerca ottica ed elettromagnetica, Facoltà di Scienze Ottiche e Ingegneria, Il Centro di ricerca internazionale per la fotonica avanzata e i suoi collaboratori hanno perfezionato il meccanismo che spiega le eccellenti prestazioni dell'imaging a fluorescenza NIR-II. Simulando la propagazione dei fotoni NIR nel bio-tessuto, hanno proposto in modo innovativo l'imaging ad alte prestazioni in 1400-1500 nm, 1700-1880 nanometro, e 2080-2340 nm, che sono stati definiti come NIR-IIx, NIR-IIc, e la terza finestra del vicino infrarosso (NIR-III), rispettivamente.

I punti quantici core-shell PbS/CdS progettati (CSQD) con lunghezza d'onda di emissione di picco a ~ 1100 nm, ~1300nm, e ~1450 nm sono stati usati come sonde di imaging, e hanno scoperto che le regioni di rilevamento intorno ai picchi di assorbimento dell'acqua forniscono sempre una qualità dell'immagine notevolmente migliorata, e quindi la definizione della finestra NIR-II è stata ulteriormente perfezionata come 900-1880 nm. La regione NIR-IIx ha dimostrato di fornire immagini di fluorescenza più superiori rispetto alla regione NIR-IIb. Con l'aiuto dell'assorbimento della luce, sono state eseguite immagini di micro e macro-fluorescenza ad ampio campo con un'eccellente qualità dell'immagine.

La cognizione generale della finestra NIR-II ci guida ad enfatizzare la depressione di scattering con l'aumento della lunghezza d'onda ma a sottovalutare l'effetto costruttivo dell'assorbimento. Infatti, in teoria, gli assorbitori di luce esaurirebbero preferenzialmente i fotoni dispersi moltiplicati in propagazione poiché i fotoni dispersi hanno percorsi più lunghi attraverso il mezzo biologico rispetto ai fotoni balistici (vedi Figura 1).

L'acqua è il componente più importante degli organismi, il cui spettro di assorbimento della luce entro 700-2500 nm (dati da Appl. Optare. 32, 3531-3540, 1993) è mostrato nella Figura 2a. A causa del picco di assorbimento a ~980 nm, 900-1000 nm non dovrebbero essere esclusi dalla finestra NIR-II per il bio-imaging. L'imaging a 1400-1500 nm non è stato riconosciuto da tempo, ma l'elevato assorbimento della luce all'interno di questa banda, che qui è chiamata regione NIR-IIx, non è più la barriera nella regione NIR-II, purché le sonde fluorescenti possiedano una luminosità sufficiente per resistere all'attenuazione dell'acqua.

Attualmente, la fotorisposta del classico rivelatore InGaAs limita l'imaging ottico oltre 1700 nm, quindi la finestra NIR-II è definita come non più di 1700 nm. A causa delle simili proprietà di assorbimento e diffusione, credono che 1700-1880 nm possedesse una qualità di imaging comparabile con l'imaging NIR-IIb e definiscono 1700-1880 nm come regione NIR-IIc. Sopra l'assorbimento "montagna" con un picco a ~1930 nm, la regione di 2080-2340 nm, che è considerata la terza regione del vicino infrarosso (NIR-III), diventa l'ultima biofinestra ad alto potenziale in generale poiché l'assorbimento d'acqua della luce oltre i 2340 nm si mantiene ostinatamente alto. Per di più, la propagazione dei fotoni a 1300-1400 nm (NIR-IIa), 1400-1500 nm (NIR-IIx), 1500-1700 nm (NIR-IIb), 1700-1880 nm (NIR-IIc), Sono state simulate finestre 1880-2080 nm e 2080-2340 nm (NIR-III), considerando lo spettro di assorbimento dell'acqua e la proprietà di dispersione della pelle. Come mostrato nella Figura 2b-g, fatta eccezione per l'esaurimento estremamente intenso nel 1880-2080 nm (Figura 2f), l'aumento dell'assorbimento della luce e la diminuzione della diffusione dei fotoni contribuiscono entrambi positivamente all'imaging preciso. Le immagini NIR-IIx e NIR-III mostrano una forza di attenuazione del fondo superiore.

L'imaging intravitale nei topi è stato condotto per valutare oggettivamente l'imaging a fluorescenza con raccolta intorno a 1450 nm. Si può vedere nella Figura 3a-d che, più la finestra di imaging è vicina al picco di assorbimento, più basso è lo sfondo dell'immagine. Gli SBR misurati mostrati nella Figura 3e-h confermano ulteriormente il contributo positivo dell'assorbimento. Microscopia a largo campo a fluorescenza di facile utilizzo, come una tecnica classica, viene spesso utilizzato per l'imaging di sezioni di cellule o tessuti. Però, nonostante la grande profondità dell'immagine, i fotoni di diffusione ei fotoni di segnale al di fuori dello sfondo indotto dal piano focale mantengono i dettagli nascosti sotto un velo di "nebbia". I risultati mostrati in Figura 3i-p, con un'eccellente attenuazione di fondo, la microscopia ad ampio campo intorno alla regione NIR-IIx possiede prestazioni eccellenti.

L'imaging a fluorescenza NIR-IIb è stato a lungo considerato la tecnica di imaging a fluorescenza NIR-II più promettente a causa della diffusione dei fotoni soppressa fino ad allora, ma i nuovi risultati dimostrano un contributo maggiore all'assorbimento crescente rispetto allo scattering decrescente e l'imaging a fluorescenza NIR-IIx proposto ha prestazioni ottimali, superando anche l'imaging a fluorescenza NIR-IIb.

Questi scienziati riassumono la loro scoperta:

"L'imaging a fluorescenza NIR-IIb è stato a lungo considerato la tecnica di imaging a fluorescenza NIR-II più promettente a causa della diffusione dei fotoni soppressa fino ad allora, ma i nostri risultati ora hanno dimostrato un contributo maggiore all'assorbimento crescente rispetto allo scattering decrescente e l'imaging a fluorescenza NIR-IIx proposto in questo lavoro ha avuto prestazioni ottimali, superando anche l'imaging a fluorescenza NIR-IIb"

"Riteniamo che questi risultati siano piuttosto cruciali per l'ulteriore sviluppo dell'imaging a fluorescenza NIR".