01前言

本文为 Qumi极弱光探测平台合作产出的重要成果，依托赋同量子SNSPD超导单光子探测器完成NIR-II长波段深组织共聚焦成像与弱荧光信号采集，相关工作发表于Advanced Imaging。

NIR-II长波窗口凭借组织散射低、弹道光子占比高的优势，是活体深层光学成像的核心发展方向。但长波段水吸收效应显著，尤其对于生物相容性更优的有机荧光探针，其长波发射尾部信号极弱；同时传统自由空间共聚焦光路易受机械漂移、对准偏差影响，激发-探测共轭稳定性不足，在光子受限场景下共焦抑制背景的能力大幅退化，深层成像的对比度与分辨率始终难以突破。

近期，浙江大学钱骏教授团队、南京工业大学刘杰研究员团队合作，将光纤波分复用（WDM）技术引入共聚焦显微架构，依托SNSPD的高灵敏探测能力，在有机纳米探针弱发射尾部的光子受限条件下，实现了深达900 μm的活体小鼠高分辨脑血管成像。

02架构创新：光纤 WDM 共聚焦，破解弱光下共轭失准难题

NIR-II长波深组织成像的核心矛盾，在于荧光信号本身已极度微弱，而传统自由空间共聚焦依赖二向色镜分束，激发与探测光路的同轴共轭精度易受环境振动、光学对准偏差影响，导致共焦针孔的背景滤波效率下降，噪声进一步淹没有效信号。

团队将光纤通信领域成熟的 WDM 技术迁移至共聚焦显微系统，采用四级串联的 980/1550 nm WDM 模块，让激发光与荧光信号在同一根光纤中同轴传输，共用同一套准直单元，从系统层面保证激发 - 探测光路的天然同轴共轭。

这种光纤内分光的架构，避免了自由空间光路对准偏差带来的共轭退化，无需反复校准即可长期维持稳定的共焦门限，即便在光子数极度受限的长波深组织场景下，也能稳定保留背景抑制能力，为弱荧光成像提供了高鲁棒的系统基础。

图1｜可切换的WDM与传统自由空间共聚焦光路，以及L1057纳米颗粒的光谱和光稳定性表征。

03成像突破：弱荧光尾部利用，实现900 μm深层活体成像

研究采用生物相容性优异的L1057有机纳米颗粒作为荧光探针，其发射主峰位于1057 nm，实际用于成像探测的是1530–1600 nm区间的长波发射尾部——这部分信号仅占总荧光强度的2%左右，同时还要经受生物组织的强水吸收，是典型的光子受限场景。

在活体小鼠脑血管成像实验中，基于WDM的共聚焦系统成功获取了从皮层表面到900 μm深度的连续血管结构，0–700 μm范围可完成清晰的三维重建；同等探针与激发条件下，传统自由空间共聚焦的成像深度极限约为600 μm。

定量表征结果显示：600 μm深度处，血管横向半高全宽为2.8 μm，信背比高达12.8；在900 μm深度极限处，微血管剖面半高全宽仍保持5.3 μm，信背比达到3.1，深层微细血管结构清晰可辨。在离体高散射肝组织的同视野对比中，WDM方案在100–300 μm 深度下均显著优于传统长通滤光片方案，且可进一步拓展至400 μm深度，验证了架构在强散射组织中的普适优势。

图2｜WDM系统获取的活体小鼠脑血管图像及三维重建。

图3｜离体小鼠肝血管成像对比：WDM与两种传统长通滤光方案，以及WDM在350 μm、400 μm处的成像结果。

04 Qumi系列：NIR-II深组织弱光成像的核心探测底座

这套深组织成像系统的稳定输出，离不开后端高灵敏的单光子探测能力。实验中，长波荧光信号经末级WDM 的1550 nm端口直接耦合进入赋同量子SNSPD超导纳米线单光子探测器，完成高精度光子计数采集。

针对1550 nm附近NIR-II窗口，赋同SNSPD具备高探测效率、极低暗计数率的核心特性，且与WDM系统的小芯径单模光纤天然模式匹配，最大程度保留了珍贵的弱荧光光子，彻底规避了传统InGaAs探测器和PMT光电倍增管暗计数高、灵敏度不足的短板，让极弱的长波荧光尾部也能转化为稳定可解析的成像信号。

Qumi系列依托自研超导单光子探测技术，可面向NIR-II生物成像与材料表征提供：

• NIR-IIb/NIR-IIc 波段共聚焦荧光成像与深组织观测
• 弱光稳态光谱测试与荧光寿命时间分辨测量
• 多通道光子计数、比率成像等定制化实验支撑

目前上海Qumi Demo实验室已对外开放，无论是稀土纳米晶、量子点、新型长波有机染料等各类荧光探针，均可前来上机实测、方案预研，用量子极限探测能力赋能生物医学与材料科学的交叉前沿研究。

论文链接信息：

DOI：10.3788/AI.2026.10003