近红外二区荧光活体生物成像技术研究进展

发布时间：2026-10-06 发布者：浏览次数：

近红外二区荧光活体生物成像技术研究进展

参考文献
冯哲, 钱骏. 近红外二区荧光活体生物成像技术研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2022, 59(6): 0617001.
原文链接：https://doi.org/10.3788/LOP202259.0617001

近红外二区成像为什么“看得深”？不只是因为散射小

本文要点：
近红外二区荧光成像是一种大深度、高分辨的光学活体成像手段。相较于可见光（360~760 nm）与近红外一区（760~900 nm）窗口，NIR-II（900~1880 nm）窗口内组织光散射更弱、自发荧光更低，且适度的组织光吸收可有效抑制散射背景。围绕该窗口，研究者已开发小分子荧光染料、有机荧光纳米探针、量子点、稀土掺杂纳米颗粒四大类发光探针，发展出从宏观到显微、从宽场到扫描、从单通道到多通道的成像体系，并将其用于引导光热治疗、光动力治疗、免疫治疗与精准外科——NIR-II 荧光成像引导的人肝脏肿瘤切除手术已获初步评估。本文据浙江大学钱骏教授团队发表于《激光与光电子学进展》2022 年第 59 卷第 6 期的特邀综述整理。

提到近红外二区（NIR-II）荧光成像的优势，最常听到的一句解释是："波长越长，散射越小，所以看得更深。"

这句话没错，但它只说了三分之一。

在《激光与光电子学进展》2022 年第 59 卷第 6 期的封底特邀综述《近红外二区荧光活体生物成像技术研究进展》中，浙江大学钱骏教授团队给出了一个更完整的答案：散射降低固然重要，生物自发荧光下降也是事实，但真正让这个领域在近两年重新理解自身基础的，是第三条——长期被当成"坏事"的组织光吸收，恰恰是抑制散射背景、提升图像对比度的关键。

也正因为这一条，NIR-II 窗口的定义被从沿用多年的 1000~1700 nm，改写为 900~1880 nm，并进一步细分出 NIR-IIa、NIR-IIb、NIR-IIx、NIR-IIc 四个子窗口，甚至指向了第三个近红外窗口 NIR-III。

本文据该综述，梳理 NIR-II 荧光活体成像的物理机制、四类主流探针、多模态成像路径与诊疗一体化进展，并讨论它走向临床仍待跨越的几道坎。

一、三个原因，不是一个：重看 NIR-II 的成像机制

光在生物组织中传播，始终面临分子吸收与组织散射两重干扰。理想情况下，我们希望只接收那些未偏离路径的弹道光子。因此，理解生物成分对光子的吸收与散射，是理解 NIR-II 的起点。

第一条：散射随波长下降

随着波长增加，光子散射逐渐减弱，这与 Mie 散射和 Rayleigh 散射理论一致。血液与皮下脂肪的散射光谱都印证了这一趋势。相比 NIR-I（760~900 nm），NIR-II 窗口内光子波长更长，在组织中受到的散射更小。

第二条：自发荧光背景降低

生物组织被激发出的自发荧光，主要集中在较短的可见光区和 NIR-I 区。以肝脏、脾脏、心脏在 808 nm 激光激发下的自发荧光光谱为例，在 1300~1750 nm 区段，背景已经显著压低。波长越长，自发荧光造成的干扰越小（见图 1）。

第三条：组织光吸收的"正面作用"

这是最容易被忽略的一条。传统观念里，吸收意味着信号损耗。但该综述指出，适当的组织光吸收，可以有效抑制组织中光程较长的散射光子，从而显著提升图像对比度。换言之，在二维面阵探测中，吸收并不只是敌人。

正因为水分子是生物体最主要的成分，钱骏团队依据水分子在可见-近红外波段的吸收光谱，把 NIR-II 窗口的定义进一步完善为 900~1880 nm。这个改动背后是一整套重新划界（见图 2）。

二、窗口怎么分：从 1000~1700 nm 到 900~1880 nm

旧定义的由来。早期，1000~1700 nm 被作为第二个近红外成像窗口（又称短波红外 SWIR）而为人熟知。这一界定带有一定的"工程妥协"色彩：传统硅基探测器在近红外波段灵敏度较差，常用窄带隙铟镓砷（InGaAs）半导体作为探测基底；而常规 InGaAs 受磷化铟衬底阻断，响应范围被限定在 900~1700 nm。又由于水分子在 980 nm 附近存在一个吸收极大值，NIR-II 常被定义在 1000~1700 nm。

新定义的四处改动：

900~1000 nm 应被纳入。由于水分子在 980 nm 的极值吸收，900~1000 nm 的成像效果并不亚于 1000~1100 nm，因此这个区间应被囊括进 NIR-II。

NIR-IIa（1300~1400 nm）与 NIR-IIb（1500~1700 nm）。避开 1400~1500 nm 的水分子吸光峰后，这两个波段的光子在生物组织中传播时衰减长度更大，有利于大深度检测。

NIR-IIx（1400~1500 nm）。只要荧光探针足够亮，该波段显著的组织光吸收可以非常有效地抑制散射背景，因此被单独定义为一个窗口。

NIR-IIc（1700~1880 nm）。1500~1880 nm 范围内组织的光吸收与散射作用比较相似；受常规 InGaAs（In₀.₅₃Ga₀.₄₇As）禁带宽度限制，1700 nm 成为探测上限，故 1500~1880 nm 被拆分为两个窗口，1700~1880 nm 即 NIR-IIc。相比 NIR-IIb，NIR-IIc 的光子散射进一步减弱，但组织光吸收同时也下降，因此在二维面阵探测成像中，其成像性能与 NIR-IIb 类似。

再往外看。水分子在 1930 nm 附近存在极高吸收；蒙特卡罗模拟显示，1880~2080 nm 波段会严重损耗信号光子，不利于深度成像。而 2080~2340 nm 波段内组织光散射较低、水的光吸收较为合适，可以视作第三个近红外窗口（NIR-III），并具备比 NIR-II 更高的成像性能。2340 nm 以后，水分子吸光度始终处于极高水平，不利于活体荧光成像——因此 NIR-III 是最后一个未被开发的近红外成像窗口。

三、探针四大家族

要特异性标记目标组织，离不开荧光探针。大体上，NIR-II 探针可分为有机染料与无机纳米颗粒两大类。

1）小分子荧光染料

小分子药物结构明确、代谢性质较好，临床转化潜力最高。一些高生物安全性的小分子染料已通过 FDA 认证并广泛应用于临床，其中吲哚菁绿（ICG）与亚甲基蓝（MB）近年来被发现具有较强的 NIR-II 发射。

2018 年，麻省理工学院 Bawendi 与 Bruns 团队报道了首个利用 ICG 尾荧光实现 NIR-II 成像的案例——由于商用硅探测器在 900 nm 以上灵敏度较低，ICG 的 NIR-II 发射特性此前一直未被关注到。研究发现 ICG 具有较强的 NIR-II 荧光拖尾，且注入血液后其 NIR-II 亮度进一步提升。钱骏教授与浙江大学附属邵逸夫医院李恭会教授、附属妇产科医院张丹教授合作，通过肌肉注射延长 ICG 循环时间，利用 NIR-II 宽场荧光显微术实现了穿颅小鼠脑血管成像。

与 ICG 不同，MB 可从肾脏排泄，这对泌尿系统疾病诊疗至关重要——钱骏与李恭会合作，利用 MB 辅助的 NIR-II 荧光非侵入性功能成像，对活体小鼠肾脏功能进行精准检测。此外，新吲哚菁绿（IR-820）、IRdye800CW、IR-12N3 等商用染料也被挖掘出 NIR-II 潜力。

在设计端，2016 年武汉大学洪学传教授团队与斯坦福大学戴宏杰教授等开发出具备供体-受体-供体（D-A-D）结构的 NIR-II 有机小分子 CH1055，最大发射波长 1055 nm，此后一系列 D-A-D 结构小分子染料被陆续开发。

2）有机荧光纳米探针

许多小分子或聚合物大分子水溶性较差，需要包覆成纳米颗粒才能在脉管系统中稳定循环。

其中，聚集诱导发光（AIE）路线尤为活跃。荧光染料的平面结构使其在聚集时大部分能量以非辐射跃迁耗散，即聚集诱导淬灭（ACQ）。2001 年唐本忠院士团队提出 AIE 概念，通过限制分子内部振动和转动，AIE 分子在聚集态的荧光强度显著提升。2018 年，钱骏团队与唐本忠团队合作开发了峰值发射约 810 nm、900 nm 以上有强发射拖尾的 AIE 分子 TQ-BPN；经双极性大分子 F-127 包覆后，TQ-BPN dots 成功实现小鼠全身血管显影与脑血管大深度造影。

生物排泄性是临床转化的关键。钱骏团队利用荧光共振能量转移发现，在生物环境中，包覆在纳米胶束中的长烷基链 AIE 分子相较于无链分子更容易释放；活体代谢研究显示，长烷基链与无烷基链 AIE 荧光团经肝胆系统的排泄效果存在显著差异，这一发现在非人灵长类动物上同样被观察到（见图 3）。

另一类是有机共轭聚合物纳米颗粒。2014 年戴宏杰团队开发了首个 NIR-II 发射的聚合物探针，最大荧光波长 1047 nm。此后南京邮电大学范曲立团队通过"quinoid"类聚合物调节分子内电荷转移、南方科技大学吴长锋团队引入 phenothiazine 单元并设计空间位阻减弱 π-π 相互作用、与中南大学邹应萍团队提出氟化策略，持续提升聚合物纳米颗粒的 NIR-II 发光效率与成像表现。

3）量子点探针

量子限域效应使其可通过尺寸调谐激发与发射波长，且量子产率高、抗光漂白性能优异、荧光寿命长、斯托克斯位移大。钱骏团队对具有 NIR-II 强发射的 PbS/CdS 量子点进行双层修饰，得到具备较高生物稳定性和 pH 稳定性的水相量子点，实现了小鼠大深度脑血管及肠胃道造影。戴宏杰团队合成了以 1600 nm 为中心波长的 NIR-IIb 量子点探针，对小鼠肿瘤血管系统进行共聚焦荧光显微成像，成像深度达到 1.2 mm。

针对 Pb、Cd 等元素的毒性问题，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王强斌团队、南开大学庞代文团队开发了 Ag₂S、Ag₂Se、Ag₂Te 等更具生物安全性的量子点；麻省理工学院 Bawendi 团队也开发了无任何重金属元素的 III-V 族量子点。

4）稀土离子掺杂纳米探针

稀土元素丰富的能级分布带来上转换与下转换发光特性。掺杂 Nd³⁺、Ho³⁺、Pr³⁺、Tm³⁺、Er³⁺ 的氟化物纳米探针，分别在 1060、1185、1310、1475、1525 nm 处具有发射带。其光稳定性强，但受限于较小的吸收截面与 f-f 轨道宇称禁戒，下转换发光效率较低。

为增强发射强度，苏州大学李桢、福州大学宋继彬、哈尔滨工业大学陈冠英、美国纽约州立大学布法罗分校 Prasad 等将大吸收染料作为敏化剂；戴宏杰团队通过 Ce³⁺ 掺杂抑制上转换途径，使 Er³⁺ 在 NIR-II 窗口的下转换发射提升了 9 倍，此后又构建下转换增强的 α 相稀土纳米探针，并通过 Zn²⁺ 掺杂进一步提升效率。吉林大学刘晓敏团队与钱骏团队合作开发的自敏化 Er³⁺ 掺杂纳米探针，大大降低反向能量转移损耗，实现了 NIR-IIb 小鼠活体高分辨率穿颅脑血管显微成像。

四、成像系统：三条演进线

从宏观到微观

常规近红外荧光成像使用近红外增透摄影镜头，放大倍数通常 ≤1，适合小鼠全身及器官成像。观察毛细血管或细胞分布时则需显微成像。NIR-II 窗口内光子散射更弱、组织光吸收更强、自发荧光更低，而组织光吸收的提升又可进一步抑制散射光子及非焦面信号形成的背景，提升宽场激发显微术的光学切片能力。目前 NIR-II 荧光宽场显微成像已实现从 5× 到 70× 的高质量显微造影。钱骏团队与舜宇光学集团合作开发了第一台商用正置 NIR-II 荧光宽场显微镜（NIR II-MS），推进了该系统的国产化。

应用层面，肿瘤的高渗透长滞留（EPR）效应使纳米颗粒易富集于肿瘤部位——具有强 NIR-II 发射的纳米颗粒静脉注射入荷瘤小鼠 24 h 后，肿瘤组织处出现明显的渗漏和富集，且新生肿瘤处的富集效果明显强于原肿瘤。在脑血管方面，肌肉注射 ICG 后，可实现小鼠颅下约 850 μm 深度内不同深度脑血管结构成像；NIR-II 显微成像还可用于精准定位毛细血管、持续检测微米级血管血液流速，并对 MCAO 模型建立前后的血管结构改变进行检测。除啮齿类外，借助长波长处的明亮发射，只需将颅骨适当磨薄，即可对狨猴进行高质量大深度脑血管成像，并完成血流速度定量评估与光诱导脑血栓精准检测（见图 4）。

从宽场激发到扫描激发

宽场激发下，焦平面上下的探针同时被激发，背景干扰较强。光片显微术通过正交的面激发与面探测，使激发区域与焦面匹配，有效抑制背景并降低光损伤——戴宏杰团队将光片显微镜与 NIR-II 窗口结合，开发了结构光照明的 NIR-II 光片显微术，进一步抑制背景并提升空间分辨率；但光片显微术通常对组织透明度有较高要求。

共聚焦扫描则通过在焦平面共轭面放置针孔滤除非焦面信号。钱骏团队与奚望、Roe 教授团队合作，开发了多维可调节的激光扫描 NIR-II 荧光共聚焦显微成像系统，成功实现非人灵长类（恒河猴）脑血管显影。此外，钱骏团队与武汉理工大学张明曦教授团队合作，实现了激发和探测都在 NIR-II 窗口内的双光子荧光成像，并开发了基于 InGaAs 相机面探测的 NIR-II 双光子荧光成像系统。

从单通道到多通道

单通道常无法满足器官交互研究或术中对病灶与周围组织的区分需求。多通道主要有三条技术路径：

多波段（多色）成像。首都师范大学周晶团队利用两种分别在 730 nm 和 980 nm 激发下 NIR-II 发光的稀土掺杂纳米颗粒，实现胃和肝脏的多通道造影；慕尼黑亥姆霍兹中心 Bruns 与加利福尼亚大学 Sletten 团队开发可调谐 NIR-II 发射的 flavylium polymethine 染料，结合 ICG 与 785、980、1064 nm 光源实现三通道活体示踪，此后又实现高速四通道活体成像。钱骏团队与邵逸夫医院林辉教授、苏州大学药学院李盛亮教授合作，借助三种探针，同时调控激发光（623 nm 和 793 nm）与荧光收集通道（1100 nm 长波通和 1500 nm 长波通），实现血管、淋巴结、输尿管三通道精准检测（见图 5）。

发光寿命多通道。基于光学斩波器的时间门控适用于毫秒级寿命检测，时间相关单光子计数（TCSPC）可用于纳秒或皮秒级。复旦大学张凡团队利用三种不同寿命的 Er³⁺ 掺杂纳米颗粒，定量检测了肿瘤亚型的生物标志物表达。戴宏杰团队则先通过激发光选择将 NIR-IIb 发射的 PbS/CdSe 量子点选出（此时 Er³⁺ 掺杂纳米颗粒不发光），再利用 1 ms 时延将两者区分，最终实现 PD-L1 与 CD8⁺ 的异质生物分布 NIR-IIb 双通道定位（见图 6）。

NIR-II + X 复合成像。南京邮电大学范曲立与沈清明团队实现 NIR-II 荧光与光声双模态成像；程震教授与郭启勇教授团队利用稀土掺杂纳米探针实现 NIR-II 与磁共振双模态成像用于肝癌精准检测；范曲立团队通过聚合物与 Gd³⁺ 螯合构建荧光、光声、磁共振三模态平台；复旦大学李富友团队利用稀土掺杂多功能纳米复合探针实现 NIR-II 光学成像与 CT 成像；中科院苏州纳米所陈光村、王强斌团队将 NIR-II 荧光与基于红色萤火虫荧光素酶（RFLuc）和高斯荧光素酶（Col1A1-GLuc）的生物发光成像三通道结合，实现对移植后人类间充质干细胞的精准定位（见图 7）。

五、诊疗一体化：从看见到治好

光热治疗。钱骏团队利用在 NIR-II 有强拖尾荧光发射的商用花菁类小分子 IR-820，实现 NIR-II 成像引导下的皮下肿瘤光热治疗，注入血液的小分子最终安全排出体外。2018 年，钱骏团队与唐本忠团队合作开发具有强 NIR-II 发射且高光热转换效率的 AIE 纳米探针，利用 EPR 效应实现皮下和原位膀胱癌肿瘤标记，并以 785 nm 光束激发实现皮下肿瘤治疗与原位肿瘤抑制。此后，钱骏、林辉与唐本忠团队合作，通过电转使肿瘤外泌体结合在 AIE 纳米探针上，显著提升肿瘤靶向能力。

光动力治疗。常见光动力药物利用具有氧气依赖性的 I 型光动力过程进行组织杀伤，而肿瘤组织的乏氧环境是这类疗法的致命缺点。南方科技大学田雷蕾研究员团队开发了在特征波长激发下同时具备 I 型和 II 型光动力过程的药物，同时具有较强的 NIR-II 荧光发射，在缺氧条件下实现 NIR-II 成像引导下的肿瘤精准治疗。

免疫治疗。戴宏杰团队开发了连有抗 PD-L1 抗体交联亲水聚合物层功能化的 Er³⁺ 掺杂发光纳米颗粒，在 NIR-IIb 波段具有较强的下转换发光性能，可对癌症免疫治疗过程进行动态成像，实现活体内肿瘤免疫微环境和免疫反应的可视化。四川大学姜楠、应国量与合作者开发的 PD-L1 抗体功能化有机纳米颗粒，在 808 nm 激光激发下对荷瘤小鼠进行免疫及光动力联合治疗，治疗后肿瘤被治愈且无复发。

精准外科。中科院自动化研究所田捷研究员团队、程震教授团队及 Gambhir 教授团队合作，利用 FDA 认证的染料 ICG，首次在可见光、NIR-I 和 NIR-II 窗口下进行了多光谱荧光成像引导的人肝脏肿瘤切除手术，发现术中 NIR-II 成像导航提高了肿瘤检出率和肿瘤检测灵敏度。

另一项更具说服力的数据来自中科院苏州纳米所王强斌教授和李春炎研究员、苏州大学附属儿童医院郭万亮教授团队的合作：利用酶激活的 NIR-II 荧光探针，在小鼠肿瘤腹膜转移模型中，通过肉眼识别切除的 33 个病灶阳性率仅为 62%，而在 NIR-II 成像引导下切除的 44 个病灶阳性率达到 84%。

此外，钱骏、林辉与李盛亮团队开展了多通道 NIR-II 成像引导下淋巴结清扫术，在示踪需切除淋巴结的同时清晰显示血管、输尿管等重要解剖结构。除光热、光动力、免疫与精准外科外，化疗、纳米气体治疗、基因治疗等方案也能够与 NIR-II 成像相结合（见图 8）。

六、走向临床，还差哪几步

综述在结语中给出了相对克制的判断，可归纳为四点。

第一，1300 nm 以上缺少可用的临床染料。1300 nm 以后，生物组织中水分子的吸光度明显抬升，使该波长以后的二维面探测成像效果显著区别于之前的波段。作者认为，将临床现有的 NIR-I 荧光术中导航技术拓展至 1300 nm 以上的 NIR-II 波段，是实现精准医疗关键的一步。但目前临床上尚缺少在 1300 nm 以上有明显发射的可用染料。

第二，临床级 NIR-II 多模态仪器尚待开发。针对 NIR-II 波段的多模态光学检测仪器仍属空白。NIR-II 宏观成像系统放大倍数小于 1，基础研究中常用于小鼠、大鼠、兔子、狨猴等的全身或器官显影，临床上可满足术中外科操作、离体器官组织宏观活检；显微成像系统则有望无需病理切片即对离体组织器官进行组织显微分析；NIR-II 荧光内窥系统的开发，对腹腔镜下外科微创手术意义重大。

第三，探针路线已有相对清晰的方向。从临床转化考虑，有机半导体小分子染料和无重金属无机发光纳米探针是具有转化潜力的 NIR-II 光学探针。对小分子染料而言，优异的生物可排泄性值得重点关注，但设计与合成在 1300 nm 以上高效发射、尤其是 1450 nm 附近具有明亮发射的小分子染料，仍是一大挑战。

第四，长期生物毒性仍需全面评估。外源性荧光探针的长期生物毒性，是绕不开的前置问题。

综上，从机理上看，波长增长带来的散射降低、该窗口内生物组织光吸收对散射背景的抑制、生物组织自发荧光的明显下降，共同构成 NIR-II 窗口内生物光学成像质量优异的本质。这项技术已经走过十几年，从单壁碳纳米管的首例活体成像，走到狨猴脑血管造影与人肝脏肿瘤切除导航。但正如该综述所言，要想真正推向临床，仍需要研究者们齐力。

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