摘要
关键词
- 光学透明性（Optical Transparency）
- 吸收分子（Absorbing Molecules）
- 生物成像（Biological Imaging）
- 折射率匹配（Refractive Index Matching）
- 克莱默斯-克罗尼希关系（Kramers-Kronig Relations）
- 活体组织（Live Tissue）
- 光散射（Light Scattering）
研究背景
光学成像在生物学和医学中起着重要作用，但活体组织中的光散射限制了光的穿透深度和分辨率。现有技术通过替换水分或去除脂质来实现折射率匹配，但这些方法通常涉及有毒物质或破坏重要生物分子，难以应用于活体组织。本研究提出了一种创新方法，通过利用强吸收分子实现光学透明性，同时避免了传统方法的毒性和破坏性，为光学透明剂的设计提供了新的方向。
创新点
- 提出强吸收分子可实现活体组织光学透明性的理论框架。
- 结合克莱默斯-克罗尼希关系，利用吸收分子调节水相折射率。
- 在不破坏活体组织的情况下实现可逆光学透明性。
- 为筛选高性能光学透明剂提供了科学依据。
研究内容
本研究通过实验和理论模型探讨了吸收性分子如何实现光学透明性。利用克莱默斯-克罗尼希关系，研究了吸收分子溶于水后对折射率的影响，并证明了这些分子可以有效匹配组织中的高折射率成分，从而显著降低光散射。研究采用了不同浓度的吸收性分子溶液，通过椭圆偏振测量技术定量分析了折射率变化规律。最终，在小鼠模型中验证了这一方法的可行性，显示吸收分子能够在安全浓度下实现组织透明性且具有良好的生物相容性。
(a) 显示在散射介质中引入吸收性分子后增加的光学透明度的照片。从左到右，前三个1 cm比色皿分别包含纯水、0.6 M甘油溶液和0.6 M柠檬黄溶液。后三个比色皿含有分散于用上述溶液制备的水凝胶中的胶体二氧化硅颗粒（作为散射体）。 (b) 图(a)中样品的透射光谱。 (c) 展示使头皮透明化的过程的示意图。 (d) 局部应用前剃光毛的小鼠头皮的照片。 (e, f) 小鼠头部的激光散斑对比图像，分别为局部应用前 (e) 和后 (f)。插图显示头皮去除后的小鼠头部的激光散斑对比图像。比例尺：d至f，5 mm。 (g) 展示使腹壁透明化的过程的示意图。 (h, i) 小鼠腹部的白光照片，分别为局部应用前 (h) 和后 (i)，同时 (j) 标记了主要的腹部器官。比例尺：h和i，5 mm。 (k) 展示使后肢透明化的过程的示意图。 (l-n) 小鼠胫骨前肌的二次谐波生成（SHG）图像，分别为局部应用前 (l) 和应用后 [(m) 和 (n)]。图 (n) 是图 (m) 中红色虚线框的数字放大图。插图为每张图像的快速傅里叶变换。比例尺：l至n，50 μm。
(A) 数值模拟展示通过引入吸收性分子调节水溶液的实部折射率 (\(n'\); 绿色实线) 的过程。这些分子的虚部折射率 (\(n''\); 灰色虚线) 在 428 nm 处具有吸收峰。图中还显示了水 (蓝色实线)、脂质和胶原纤维等高折射率 (RI) 细胞成分的 \(n'\)。
(B) 使用 Lorentz 振子模型计算的虚部折射率 \(n''\)，分别在谐振频率 \(\omega_0\) 为 100 nm (蓝色)、250 nm (绿色) 和 400 nm (红色) 时的变化曲线。
(C) 计算出的折射率实部变化 (\(\Delta n'\))，对应于不同的谐振频率。
(D) 溶解于水中的甘油 (蓝色)、氨基比林 (绿色) 和柠檬黄 (红色) 的摩尔吸收系数 \(\alpha\)。甘油在 250 nm 以下的数据来源于参考文献 (51)，柠檬黄的全范围椭偏数据见图 S14。
(E) 溶解于水中的甘油、氨基比林和柠檬黄的摩尔折射率变化 \(\beta\)。
(F) 使用椭偏测量不同浓度柠檬黄溶液的虚部折射率 \(n''\)。
(G) 在 430 nm 下，虚部折射率 \(n''\) 随摩尔浓度变化的关系。虚线表示线性拟合结果，从中提取出摩尔吸收系数 \(\alpha\)。
(H) 使用椭偏测量不同浓度柠檬黄溶液的实部折射率 \(n'\)。
(I) 在 500、600、700 和 800 nm 下，实部折射率 \(n'\) 随摩尔浓度变化的关系。虚线表示每条曲线的线性拟合结果，斜率表示在各波长下的摩尔折射率变化 \(\beta\)。
(J) 测量光程为 1 mm 的不同浓度柠檬黄溶液的透射率 \(T\)，显示尽管在 500 nm 以下有强吸收，但在 600 nm 以上存在透射窗口。
(K, L) (K) 最大摩尔吸收系数 \(\alpha\) 和 (L) 最大摩尔折射率变化 \(\beta\) 随波长的变化，分别对应甘油、氨基比林和表2中列出的21种吸收性分子。
(M) 不同染料分子在可见光谱范围内的平均摩尔吸收系数 \(\alpha\) 与平均摩尔折射率变化 \(\beta\) 的关系。柠檬黄在红色虚线圆内标记为Dye-4。由于在目标波长范围内具有较大的负 \(\beta\)，Dye-21未被显示。
(N) 不同吸收性分子的摩尔折射率变化与摩尔吸收系数的比值 (\(\beta/\alpha\))。图中的“白色窗口”表示潜在的透明光谱区域，该区域具有足够的 \(\Delta n'\) 并且吸收较小。
(A) 示意图展示了散射模型的组成，其中单分散二氧化硅颗粒分散在水中。
(B) 数值模拟显示平面波穿过由水基背景和散射颗粒组成的矩阵时的传播行为，不同的 \(n'\) 不匹配程度在每个图上方标注。比例尺：2 μm。
(C) 含有琼脂糖水凝胶的散射模型照片，保持二氧化硅颗粒浓度不变的同时逐渐增加柠檬黄的浓度。比例尺：5 mm。
(D) 正入射光的透射率 \(T\) 光谱，展示含有不同浓度柠檬黄的散射模型的透射率随波长变化的情况。
(E) 透射增强因子光谱，定义为含有特定浓度柠檬黄的散射模型透射率与不含柠檬黄（0 M）的散射模型透射率的比值。
(F) 衰减系数比值的光谱，比较含有不同浓度柠檬黄的散射模型与不含柠檬黄（0 M）模型的衰减系数变化。图 (D) 至 (F) 的曲线颜色与图 (C) 中的浓度标签一致。
(G) 浸泡在不同浓度柠檬黄溶液中的鸡胸组织照片，展示透明度随浓度增加的变化。比例尺：1 cm。
(H) 浸泡在不同浓度柠檬黄溶液中的鸡胸组织的透射光谱。
(I) 浸泡后鸡胸组织的透射增强因子光谱，定义为透射率与未处理组织的透射率比值。
(J) 组织浸泡在不同浓度柠檬黄溶液中后的衰减系数比值，与原始未处理组织相比的变化。图 (H) 至 (J) 的曲线颜色与不同浓度对应的颜色编码一致。
(A, B) 示意图展示通过吸收性分子调节散射模型背景的折射率 (RI)，从而提高成像系统对USAF分辨率靶标的分辨率。
(C, D) 归一化强度的 (C) 低倍和 (D) 高倍放大USAF分辨率靶标图像，成像通过厚度为1 mm的散射模型进行，该模型包含不同浓度的染料，并在不同波长下成像。
(E–H) 成像系统的调制传递函数 (MTF)，分别在 (E) 525 nm, (F) 600 nm, (G) 680 nm 和 (H) 785 nm 波长下测量，散射模型中不同浓度的染料对应的颜色与 (C) 中的浓度标签一致。
(I) 在固定空间频率 101.6 lp mm\(^{-1}\) 下，MTF随染料浓度在不同波长下的变化关系。
(J) 在固定空间频率 101.6 lp mm\(^{-1}\) 下，MTF随散射模型中背景与颗粒折射率差异 (\(n'\)) 的变化关系。符号表示用于MTF测量的不同波长。
(K, L) 模拟的电场分布 \(E\)，展示从左侧以600 nm高斯光束入射，传播1 mm后通过含有二氧化硅散射体 (白点) 的介质，其中背景分别为 (K) 水和 (L) 0.6 M柠檬黄的水溶液。发散的光束通过一个放置在散射介质出口100 μm后的假想透镜重新聚焦。白色虚线表示重新聚焦的光波面所在平面。比例尺：200 μm。
(M) 光在焦平面处的电场强度分布 [沿 (K) 和 (L) 中的白色虚线]。蓝色表示水背景，橙色表示0.6 M柠檬黄溶液。
(A) 示意图展示通过透明化处理的小鼠腹部进行显微成像。
(B, C) 小鼠肌间神经丛的荧光图像，分别为透明化处理前 (B) 和透明化处理后 (C)。
(D) 小鼠肌间神经丛的宽场荧光图像序列，叠加局部位移映射的插图。位移的方向和幅度分别用颜色和箭头表示。
(E) 在220 × 220 μm区域内，以0.36 s为间隔测量的平均运动方向和位移幅度的时间演变曲线。
(F) 两帧之间 (间隔0.03 s) 肌间神经丛位移的时空演变，方向以背景颜色编码，幅度以矢量长度表示。
(G) 一帧图像的快照，突出显示局部神经丛运动的多样模式。虚线框分别标记收缩 (蓝色)、扩张 (红色) 和旋转 (橙色)。
(H–J) 三种代表性局部运动模式： (H) 收缩、(I) 扩张 和 (J) 旋转。色图分别表示从位移场计算的 (H) 和 (I) 的散度以及 (J) 的旋度。比例尺：50 μm。
[示意图使用 BioRender.com 制作]
结论与展望
本研究提出了一种基于吸收分子的光学透明化方法，为活体生物成像提供了新的解决方案。未来研究将进一步优化吸收分子的筛选，探索更广的应用范围，尤其是在红外光谱区域的成像和更复杂的活体模型中验证其潜力。
论文直达
原文标题：Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules
原文卷期号：Science 2024, 385, 1061
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