Les croyances profondément enracinées selon lesquelles l'absorption et la diffusion de la lumière sont totalement nocives pour la capture de fluorescence incitent la plupart des chercheurs à rechercher une fenêtre parfaite avec une absorption et une diffusion des photons minimales pour la bio-imagerie. En raison de la diffusion généralement acceptée de moins de photons, la bio-imagerie de fluorescence dans la seconde fenêtre proche infrarouge (NIR-II) donne une qualité d'image admirable, en particulier lors du déchiffrement des signaux profondément enfouis in vivo. De nos jours, L'imagerie par fluorescence NIR-II a déjà guidé la chirurgie compliquée des tumeurs du foie en clinique. Cependant, le rôle constructif de l'absorption lumineuse, dans une certaine mesure, semble être ignoré.

La présentation finale d'images de haute qualité rend même plus convaincant l'effet positif exagéré de la suppression de la diffusion par allongement de la longueur d'onde puisque l'absorption simultanée est considérée comme atténuant les signaux. En réalité, certains travaux ont révélé une amélioration de la résolution induite par l'absorption dans les milieux de diffusion en raison de l'abaissement des signaux de fond à long chemin optique. Pourtant, comment tirer pleinement parti de l'absorption de la lumière pour sélectionner une fenêtre d'imagerie de fluorescence appropriée reste indéterminé.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et application , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Jun Qian du State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentations, Centre de recherche optique et électromagnétique, Collège des sciences et de l'ingénierie optiques, Le Centre international de recherche pour la photonique avancée et ses collaborateurs ont perfectionné le mécanisme expliquant les excellentes performances de l'imagerie par fluorescence NIR-II. En simulant la propagation des photons NIR dans les bio-tissus, ils ont proposé de manière innovante l'imagerie bien performante en 1400-1500 nm, 1700-1880 nm, et 2080-2340 nm, qui ont été définis comme NIR-IIx, NIR-IIc, et la troisième fenêtre proche infrarouge (NIR-III), respectivement.

Les points quantiques PbS/CdS core-shell (CSQD) conçus avec une longueur d'onde d'émission maximale à ~ 1100 nm, ~1300 nm, et ~ 1450 nm ont été utilisés comme sondes d'imagerie, et ils ont découvert que les régions de détection autour des pics d'absorption de l'eau offrent toujours une qualité d'image considérablement améliorée, et ainsi la définition de la fenêtre NIR-II a été perfectionnée à 900-1880 nm. La région NIR-IIx s'est avérée fournir des images de fluorescence plus supérieures que la région NIR-IIb. Grâce à l'absorption de la lumière, Une imagerie de micro et macro-fluorescence à grand champ avec une excellente qualité d'imagerie a été réalisée.

La connaissance générale de la fenêtre NIR-II nous guide pour souligner la dépression de diffusion avec l'augmentation de la longueur d'onde mais sous-estimer l'effet constructif de l'absorption. En réalité, les absorbeurs de lumière appauvriraient préférentiellement les photons à diffusion multiple lors de la propagation en théorie, car les photons diffusés ont des trajets plus longs à travers le milieu biologique que les photons balistiques (voir Figure 1).

L'eau est le composant le plus important des organismes, dont le spectre d'absorption de la lumière dans les 700-2500 nm (données de Appl. Opter. 32, 3531-3540, 1993) est illustré à la figure 2a. En raison du pic d'absorption à ~980 nm, 900-1000 nm ne doivent pas être exclus de la fenêtre NIR-II pour la bio-imagerie. L'imagerie en 1400-1500 nm n'est pas reconnue depuis longtemps, mais l'absorption lumineuse élevée dans cette bande, qui est appelée ici région NIR-IIx, n'est plus la barrière dans la région NIR-II, tant que les sondes fluorescentes possèdent une luminosité suffisante pour résister à l'atténuation par l'eau.

Maintenant, la photoréponse du détecteur InGaAs classique limite l'imagerie optique au-delà de 1700 nm, ainsi la fenêtre NIR-II est définie comme ne dépassant pas 1700 nm. En raison des propriétés similaires d'absorption et de diffusion, ils pensent que 1700-1880 nm possédaient une qualité d'imagerie comparable à celle de l'imagerie NIR-IIb et définissent 1700-1880 nm comme la région NIR-IIc. Sur l'absorption "montagne" culminant à ~1930 nm, la région de 2080-2340 nm, qui est considérée comme la troisième région du proche infrarouge (NIR-III), devient la dernière fenêtre biologique à haut potentiel en général, car l'absorption d'eau de la lumière au-delà de 2340 nm reste obstinément élevée. Par ailleurs, la propagation des photons en 1300-1400 nm (NIR-IIa), 1400-1500 nm (NIR-IIx), 1500-1700 nm (NIR-IIb), 1700-1880 nm (NIR-IIc), Les fenêtres 1880-2080 nm et 2080-2340 nm (NIR-III) ont été simulées, compte tenu du spectre d'absorption de l'eau et de la propriété de diffusion de la peau. Comme le montre la figure 2b-g, à l'exception de l'épuisement extrêmement intense en 1880-2080 nm (Figure 2f), L'absorption de lumière montante et la diffusion de photons descendante contribuent toutes deux à l'imagerie précise. L'imagerie NIR-IIx et NIR-III montre une force d'atténuation de fond supérieure.

L'imagerie intravitale chez la souris a été réalisée pour évaluer objectivement l'imagerie de fluorescence avec une collecte autour de 1450 nm. On peut voir sur la figure 3a-d que, plus la fenêtre d'imagerie est proche du pic d'absorption, plus le fond d'imagerie est bas. Les SBR mesurés montrés sur la figure 3e-h confirment en outre la contribution positive de l'absorption. Microscopie grand champ à fluorescence conviviale, comme technique classique, est souvent utilisé pour l'imagerie de tranches de cellules ou de tissus. Cependant, malgré la grande profondeur d'imagerie, les photons de diffusion et les photons de signal en dehors du fond induit par le plan focal gardent les détails cachés sous un voile de « brume ». Les résultats montrés dans la figure 3i-p, avec une excellente atténuation de fond, la microscopie à grand champ autour de la région NIR-IIx possède d'excellentes performances.

L'imagerie par fluorescence NIR-IIb a longtemps été considérée comme la technique d'imagerie par fluorescence NIR-II la plus prometteuse en raison de la suppression de la diffusion des photons jusqu'alors, mais les nouveaux résultats prouvent une plus grande contribution de l'absorption croissante que la diffusion décroissante et l'imagerie par fluorescence NIR-IIx proposée possédait des performances optimales, dépassant même l'imagerie de fluorescence NIR-IIb.

Ces scientifiques résument leur découverte :

"L'imagerie par fluorescence NIR-IIb a longtemps été considérée comme la technique d'imagerie par fluorescence NIR-II la plus prometteuse en raison de la suppression de la diffusion des photons jusqu'alors, mais nos résultats ont maintenant prouvé une plus grande contribution de l'absorption croissante que la diffusion décroissante et l'imagerie de fluorescence NIR-IIx proposée dans ce travail possédait des performances optimales, dépassant même l'imagerie de fluorescence NIR-IIb"

"Nous pensions que ces résultats sont assez cruciaux pour le développement ultérieur de l'imagerie par fluorescence NIR."