导语

自1845年人类首次观察到荧光现象以来，荧光显微镜已经成为生物学发现中不可或缺的“超级神探”。从观察细胞结构到对抗未知疾病，它立下了汗马功劳。

然而，长久以来，这项技术一直被一个致命的瓶颈所困扰——穿透深度太浅。

今天，随着短波红外（SWIR）技术与近红外二区（NIR-II）窗口的深度结合，一项名为DOLI（漫反射光学定位成像）的新技术横空出世。它不仅成功突破了传统光学成像的深度魔咒，更让无创、深层、高分辨率的活体组织成像成为了现实。

01.传统荧光显微的“阿喀琉斯之踵”：1毫米的深度魔咒

在生物医学成像领域，实现深层组织的高分辨率光学观察，一直是一个长期悬而未决的目标。

苏黎世大学与苏黎世联邦理工学院（ETH
Zurich）生物医学工程研究所的研究员
Quanyu
Zhou 指出：“哺乳动物的组织天然具有不透明性，这严重阻碍了光学成像技术获取高分辨率图像。”

在过去，光学显微镜的穿透深度从根本上受限于所谓的“弹道状态”（ballistic
regime）——通常只能穿透距离表面不到1毫米的深度。

这意味着什么？

当科学家们想要观察动物模型（如小鼠）深层大脑区域的分子和细胞细节时，由于皮肤和头骨对光线的强烈散射，他们往往不得不采取高度侵入性的外科手术（例如开颅手术）。这不仅限制了成像的体积，更对活体研究造成了不可逆的创伤，甚至可能改变生理状态，影响研究结果的准确性。

图
1.
可见光谱范围内观测到的小鼠颅骨。

图
2.
采用传统宽场荧光成像技术在近红外二区窗口下观测的小鼠颅骨。

02.破局之法：SWIR与NIR-II窗口的黄金组合

为了打破这一僵局，科学家们将目光投向了短波红外（SWIR）相机和近红外二区（NIR-II）光谱窗口。

生物医学成像教授
Daniel
Razansky 及其团队发现，波长在1000到1700纳米之间的NIR-II光谱窗口，简直是深层成像的“黄金通道”。

在这个波段内：

• 光散射显著减少，光子能够穿透得更深；

• 背景自发荧光信号被有效抑制，图像信噪比大幅提升。

然而，挑战依然存在。虽然
SWIR
相机和
NIR-II
造影剂扩大了可达到的穿透深度，但由于光子的扩散效应，有效的空间分辨率会随着深度的增加而逐渐恶化。

如何才能在看得深的同时，还能看得清？

03.
DOLI技术横空出世：穿透深度提升4倍的秘密

为了彻底解决分辨率随深度衰减的问题，Razansky
实验室（专注于开发新型多尺度功能和分子成像技术）与
Zhou
等研究人员共同开发了一项革命性的新技术——漫反射光学定位成像（DOLI，Diffuse
Optical Localization Imaging）。

这项技术的核心逻辑非常巧妙：

它通过在
NIR-II
光谱窗口中获取一系列落射荧光图像，对包裹着硫化铅（PbS）量子点的流动微滴进行精准定位。

图
3.
基于定位的
DOLI
方法

Razansky
教授解释道：“通过在
NIR-II
窗口内定位稀疏标记的造影剂，DOLI能够穿透小鼠大脑等漫反射介质，以非侵入性的方式实现超分辨率成像。”

惊人的突破在于：DOLI
技术允许在超出光扩散限制深度4倍的地方进行显微荧光成像！它不仅打破了传统的光学极限，还通过利用局部光斑大小，从平面荧光图像记录中提取深度信息，进入了一个以前光学方法无法触及的“分辨率-深度”新领域。

04.脑科学研究的新纪元：直达1厘米深处的无创洞察

这项技术的成熟，正在为脑科学和神经系统疾病的研究推开一扇全新的大门。

可视化完整活体大脑深处的生物过程，对于理解大脑的认知功能以及阿尔茨海默症、帕金森症等神经退行性疾病至关重要。

借助高效的
SWIR
相机和明亮的量子点，研究团队首次完全无创地清晰观察到了小鼠大脑深处的微血管和血液循环。成像深度达到了惊人的~1厘米，彻底告别了过去
1毫米
的极限！

图
4.
基于
DOLI
技术的小鼠脑血管无创成像

（a）荧光染料灌注后，透过完整头皮获取的小鼠头部宽场（WF）图像。

（b）微滴注射后，由采集的图像序列重构得到的对应
DOLI
图像。

（c）去除头皮后，在大致相同的感兴趣区域（ROI）内获取的
DOLI
图像。

（d）通过叠加有无头皮时的
DOLI
图像，得到的大脑与头皮微血管复合分布图。

“DOLI
在深层组织光学观察中展现出的卓越分辨率，可以为大脑提供功能性的洞察，”Zhou
满怀信心地表示，“我们相信，随着更高效的
SWIR
相机以及在
NIR-II
窗口表现出强烈荧光响应的新型造影剂的不断涌现，这些领域中许多未解之谜将在不久的将来得到解答。”

05.结语：看见更深，发现更多

从
1毫米
到 1厘米，从开颅创伤到完全无创。SWIR
技术与
DOLI
方法的结合，不仅是光学成像技术的一次巨大飞跃，更是生物医学工程赋能生命科学研究的绝佳范例。

它为研究神经活动、微循环、神经血管耦合以及神经退行性疾病提供了一个极具前景的平台。未来，随着
SWIR
硬件设备的进一步升级，我们有理由相信，深层组织活体成像将解锁更多生命的奥秘。

【行动号召】

探讨与交流您所在的实验室或企业，目前在深层组织成像中遇到了哪些瓶颈？您认为
SWIR
技术还能在哪些医疗或工业场景中大放异彩？

欢迎在评论区留言与我们探讨！

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参考文献：

[1]
J. Murphy Laser Focus World (Nov 2021).

[2]
Q. Zhou, Z. Chen, J. Robin, X.-L. Deán-Ben, and D. Razansky,
Optica, 8, 6, 796–803 (2021).