用于体内应用的光学传感的优势非常引人注目：非侵入性、非电离辐射、实时监测。然而，一个持续存在的问题是，随着传感器嵌入生物组织的深度增加，光信号会减弱，从而导致深部组织测量中的低信噪比 (SNR)。
体内光学传感的SNR受到两个基本问题的限制：1）由于生物组织的吸收和散射，光信号随深度呈指数衰减，以及2）生物组织本身产生的自发荧光背景。在第二个近红外窗口（NIR-II，1,000–1,700 nm）中工作可减少光子吸收和散射，从而使光信号的传播距离约为 10 毫米。
图|深层组织传感的挑战
已经开发了两种不同的策略来对抗自发荧光：光谱过滤和时间过滤。光谱过滤是基于通过在特定的荧光窗口中收集所需的光信号来过滤掉自发荧光背景；时间过滤是基于以轻微延迟获取光信号以允许自发荧光信号衰减。这两种策略都成功地显著提高了体内光学传感的 SNR。
开创性尝试
鉴于此，麻省理工学院Michael S. Strano等人提出了一种新颖的基于频率过滤的策略，他们介绍了一种检测深层生物组织光信号的技术，该技术可以促进对以前无法进入的体内环境的实时监测。
复旦大学张凡等人对该研究进行评述。
技术原理
他们利用植入的纳米传感器和背景之间的不同吸收光谱，在纳米传感器吸收峰周围以恒定频率f发送波长振荡激发。该激发图谱产生在 2f 处振荡的纳米传感器发射信号，而该范围内的任何单调背景都将具有易于过滤的主要 f 分量。该技术依赖于纳米传感器和背景吸收峰之间的差异。如图所示，产生的发射强度可以在激发波长迹线和吸收光谱的交点处找到，而传感器的发射光谱范围和背景重叠。激发波长的扫描导致纳米传感器信号中的峰值和背景中的单调迹线。因此，连续振荡激发波长会在纳米传感器信号中产生两倍于背景的峰值。该原理允许该技术在频域中分离重叠的纳米传感器和背景信号。研究人员将这种背景过滤方法命名为波长诱导频率过滤（wavelength-induced frequency filtering），简称WIFF，是通过频率过滤消除自发荧光的一种开创性尝试。
图|WIFF的原理
超深/高信噪比信号检测
因此，WIFF 使其能够检测来自高达 5.5 ± 0.1cm的超深植入物的信号，在体模组织、鸡组织、保存的胎猪和SKH1-E小鼠模型中，信噪比提高了52倍。该方法可以很容易地应用于在整个可见光范围内发射的各种荧光纳米传感器。此外，WIFF还能够在常规光学传感失效的情况下，如H2O2、核黄素、抗坏血酸和化疗药物代谢物纳米传感器所示，以高保真度执行实时体内传感。
图|WIFF 在复杂组织中的表现
移动信号也能测！
体内传感过程中的一个挑战是样本的移动，这通常会对检测到的信号造成剧烈干扰。WIFF 的自参考功能还允许用户区分样本移动产生的信号伪影，确保信号长时间稳定。在一项复杂的经颅监测中，研究人员将选择性碳纳米管传感器植入一头保存完好的胎猪大脑中，用于检测胶质母细胞瘤化疗药物的代谢产物 5-氨基咪唑-4-甲酰胺 (AIC)。在 2.4 厘米的深度（颅骨和真皮），WIFF 提供比无过滤传感方法高12倍的SNR。该改进使 WIFF 能够超时跟踪AIC 信号，而传统方法无法揭示任何有意义的信息。WIFF还适用于发射和吸收波长从可见光到近红外区域（500–800 nm）的现有荧光团工具箱。
图|猪脑中化疗代谢物 AIC 的经颅动力学
总结与展望
带有频率过滤的深层组织光学传感的演示非常吸引人。配备 WIFF，人们可以检测来自深层生物环境的光信号，信噪比提高了几个数量级。WIFF可以扩展到一系列生物小分子的深层组织光学检测，这意味着光学传感可能为生理指标监测和疾病诊断提供宝贵的机会。研究人员指出，在使用 WIFF 后，吸收接近自发荧光峰的荧光团显示出最大的 SNR 增强。通过将 WIFF 与专门的光谱过滤结合使用，可以实现最佳传感结果。然而，WIFF 技术以空间分辨率为代价，仅适用于光学传感。如果这项技术可以扩展到活体光学成像，其应用场景将大大扩展。
综上所述，研究人员开发了 WIFF 作为将荧光纳米传感器扩展到体内环境的一种手段，使深层组织传感的应用成为可能。WIFF克服了以方法误差和机械伪影的形式的不利的固有自发荧光的限制。这是通过循环波长激发的实验系统来实现的，该系统将发射波形与自发荧光背景分离，降低噪声水平，同时将此背景用作内部参考，对伪影进行自我校正。总体而言，与 WIFF 结合使用的纳米传感器能够对以前无法进入的体内环境进行实时生化监测，这对生命科学研究、个性化诊断和靶向治疗的递送领域非常有意义。
参考文献：
1. Koman, V.B., Bakh, N.A., Jin, X. et al. A wavelength-induced frequency filtering method for fluorescent nanosensors in vivo. Nat. Nanotechnol. (2022).
https://doi.org/10.1038/s41565-022-01136-x
2. Lu, L., Zhang, F. A deep tissue optical sensing. Nat. Nanotechnol. (2022).
https://doi.org/10.1038/s41565-022-01132-1
