突破活体精准成像瓶颈：如何用时间分辨成像实现生物医学检测变革

　　在生物医学研究中，实时、精准、定量地监测活体内部分子变化一直是科学家追求的终极目标之一。无论是追踪药物的代谢动力学，还是监控肿瘤热疗过程中的温度分布，亦或是调节光学信号的时间特性以实现信息加密，都离不开一项关键能力——从复杂的生物组织中准确提取光学信号。

 

　　然而，活体环境对光学检测提出了三重挑战：组织散射与吸收会导致信号衰减和失真;生物自发荧光会干扰目标信号;探针浓度未知则使定量检测变得困难重重。传统的强度成像易受这些因素影响，而比率荧光法虽能部分克服浓度依赖，却仍无法摆脱波长依赖性干扰。

 

　　近期，来自复旦大学、北京工业大学、厦门大学等机构的团队通过研究不同稀土元素的荧光寿命及其差异，并结合中智科仪研发的2DSPC系列IsCMOS时间分辨相机，成功突破了上述瓶颈，实现了在复杂生物环境下的高保真信号提取。相关文章分别发表于《Small》、《Advanced Materials》和《Nano Letters》等高水平期刊。

 

　　荧光寿命(Florescence Lifetime)，是指当激发光源停止后，荧光强度衰减到其峰值的1/e(约37%)时所需的时间，通常在微秒量级。与荧光强度不同，荧光寿命是一个绝对的、本征的物理量。它就像荧光分子的“指纹”，不受激发光强度、探针浓度、光漂白等因素的影响，但对其所处的微环境(如pH值、温度、离子浓度、粘度等)高度敏感。荧光寿命成像通过测量荧光分子的“寿命”，为我们打开了一扇通往分子世界的大门，在生物医学研究和临床应用中具有不可取代的地位。

 

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　　体内pH定量成像：4小时持续监测胃酸动态，揭示个体化药效差异

 

　　研究团队：复旦大学、上海交通大学、中国医学科学院北京协和医院

 

　　发表期刊：Small

 

　　核心问题：如何实现对胃肠道pH值的长期、定量、原位监测?

 

　　传统的pH探针依赖荧光强度变化，易受探针分布、组织厚度、动物体位等因素干扰。该团队设计了一种基于镧系纳米晶与pH响应染料FD-822的寿命型纳米传感器。其创新之处在于利用染料摩尔吸光系数的可逆变化，调控稀土与染料之间的非辐射能量转移效率，进而改变发光寿命，克服了传统荧光成像中探针浓度波动、组织干扰等难题。

 

　　图1 纳米传感器对不同pH水平响应的时间分辨体模成像。(b)不同pH水平和渗透深度下的时间门控强度图像及(c)寿命图像。

 

　　当模拟组织散射的脂乳溶液厚度从0增加至6 mm时，荧光强度信号发生严重衰减且空间不均一性加剧。然而，通过IsCMOS相机采集时间序列图像并拟合得到的寿命信号，在不同散射厚度下均保持了高度的稳定性和空间一致性，有力证明了基于IsCMOS相机的时间门控寿命成像技术相较于传统强度成像的优势。

 

　　图2 不同给药途径下小鼠胃肠道在不同时间点的b)时间门控强度成像与d)寿命成像

 

　　通过控制激光脉冲与IsCMOS相机门控的延迟时间，系统能够精准捕捉纳米传感器在800 nm处的发光衰减过程。相机的高灵敏度与纳秒级门控能力，使其在强组织散射背景下仍能提取纯净的寿命信号。通过寿命成像，研究人员清晰地观测到不同给药方式和剂量下，质子泵抑制剂引起胃pH升高的起效时间、峰值强度和持续时间等关键药代动力学参数。IsCMOS相机的高灵敏度和时间分辨率确保了在深层组织中对微弱荧光信号的高信噪比提取，是实现精准寿命定量的关键。

 

　　实时荧光测温内镜：肿瘤热疗中的“温度眼睛”

 

　　研究团队：复旦大学、北京大学、上海交通大学

 

　　发表期刊：Advanced Materials

 

　　核心问题：如何在深部组织中实现实时、高精度的温度成像?

 

　　肿瘤热疗(如微波消融)中，温度控制直接影响疗效与安全性。研究团队开发了一种时间分辨比率型荧光纳米温度计，由对温度敏感的铕(Eu)配合物和温度不敏感的铱(Ir)配合物组成，两者发光波长相同但寿命差异显著。

 

　　图3 荷瘤裸鼠在微波消融治疗过程中的温度成像。(a)不同功率下实时温度成像系统(RTIS)采集的实时温度图像;(b)不同功率下30秒后的实时温度图像放大图，红色圆圈标示消融区域，白色圆圈标记肿瘤区域;(c)微波消融术后切除的小鼠肿瘤照片。

 

　　在荷瘤裸鼠的微波消融实验中，实时监测了肿瘤区域的热场分布。通过组织病理学分析(H&E 和 TUNEL 染色)，发现不同消融功率下肿瘤组织的损伤程度与 RTIS 所监测的热场分布一致，验证了 RTIS 在体内消融过程中通过对热场可视化实现精确监测的能力。采用时间分辨IsCMOS相机构建荧光测量系统。基于Ir和Eu的寿命差异，在同一波长窗口下，通过设置两个时间门(TG1和TG2)分离Ir和Eu的发射信号，计算出不受组织衰减和自发荧光影响的比率值。RTIS系统能够在10 fps的最大成像速度下实现对温度的快速、精准测量。

 

　　动态调控发光寿命：光控“时间指纹”用于信息加密

 

　　研究团队：北京工业大学、新加坡国立大学、厦门大学

 

　　发表期刊：Nano Letters

 

　　核心问题：能否不改变材料本身，仅通过光学手段动态调控发光寿命?

 

　　传统调控寿命的方法依赖于材料改性(如掺杂浓度、表面修饰)，缺乏实时可调性。该研究提出一种泵浦通量调制策略，通过调节激发脉冲的宽度和强度，改变高掺铒纳米晶中离子能级布局，进而调控交叉弛豫过程，实现发光寿命的实时、可逆、宽范围调节。

 

　　图4 空间编码光加密中的泵浦通量−响应寿命调制。(a)NaErF4@NaYF4纳米晶体打印的双方格图案的时间分辨荧光寿命成像;(b)在含有NaErF4@NaYF4纳米晶体胶体分散液的比色皿中，沿聚焦激光束路径进行的空间分辨荧光寿命成像;(c)利用纳米晶体红色荧光实现时域信息加密。

 

　　利用IsCMOS相机进行宽场寿命成像。相机的高时间分辨率使其能够可视化不同激发条件下纳米晶发光寿命的空间分布变化，并成功应用于时间域光学加密。例如，在QR码图案中，通过切换激发强度，隐藏的信息因寿命对比度变化而被“解密”。

 

　　这三项研究展示了发光寿命成像在活体定量检测、实时温度监控和动态光学调控中的强大潜力。它们不仅解决了生物医学检测中的经典难题，也推动了时间分辨光学技术向更深入、更实用的方向发展。

 

　　而作为这些突破性研究的“眼睛”，中智科仪IsCMOS时间分辨相机成为连接基础光学创新与临床实际应用的重要桥梁。相机作为寿命成像研究的重要工具，需要具备以下关键特性：

 

　　高时间分辨率：支持纳秒级门控与高精度延迟/门宽调节，精准捕捉发光衰减过程;

 

　　高灵敏度：在弱光条件下也能提取有效信号;

 

　　快速寿命检测：自动变延迟序列采集快速获得寿命曲线，提高采集效率;

 

　　抗干扰性强：通过时间门控有效抑制自发荧光和激发光散射。

 

　　论文链接：

 

　　DOI: 10.1002/smll.202502806 (pH寿命纳米传感器)

 

　　DOI: 10.1002/adma.202503726 (时间分辨比率荧光测温内镜)

 

　　DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c02172 (泵浦通量调控寿命)