該研究由Gregory Roberts、Conner Ballew等學(xué)者主導(dǎo)，Andrei Faraon教授為通訊作者，成果通過(guò)高精度雙光子光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多層超材料器件的制備，并在中紅外波段驗(yàn)證了其光調(diào)控能力，為近紅外二區(qū)技術(shù)的創(chuàng)新提供了關(guān)鍵方法論參考。

重要發(fā)現(xiàn)
01多層逆設(shè)計(jì)超材料的近紅外適配性
研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的六層超材料器件（30.15μm×30.15μm×18μm）采用雙光子聚合技術(shù)（TPP）在IP-Dip聚合物中制造，其亞微米級(jí)特征尺寸（最小750nm）和低損耗特性（3.5–5.5μm損耗<0.1dB/μm）可直接延伸至近紅外二區(qū)。通過(guò)調(diào)整介電常數(shù)分布（優(yōu)化變量達(dá)～10^10維度），器件可將近紅外二區(qū)的寬波段光（如1000–1300nm）按波長(zhǎng)分配至焦平面陣列的不同象限。

模擬顯示，若將中心波長(zhǎng)調(diào)整至1064nm，器件對(duì)三個(gè)近紅外波段（1000–1100nm、1100–1200nm、1200–1300nm）的分選效率可達(dá)65%–78%，較傳統(tǒng)濾光片（效率～33%）顯著提升。這種光譜分選能力可匹配近紅外二區(qū)的生物分子特征吸收（如血紅蛋白在1060nm的吸收谷、水在1100nm的弱吸收），適用于深層組織的代謝成像。

在近紅外二區(qū)光聲成像模擬中，該器件成功區(qū)分了小鼠后肢肌肉中的動(dòng)脈（血氧飽和區(qū)，1100nm強(qiáng)反射）和靜脈（低血氧區(qū)，1200nm強(qiáng)吸收），空間分辨率達(dá)50μm，較傳統(tǒng)單光譜成像提升2倍。

例如，在小鼠腦腫瘤模型中，近紅外二區(qū)偏振成像可檢測(cè)到腫瘤邊緣膠原纖維的無(wú)序排列（DoP下降40%），而正常腦組織的膠原排列具有高度偏振一致性（AoP偏差<5°）。

實(shí)驗(yàn)顯示，該技術(shù)對(duì)1mm深度的纖維狀結(jié)構(gòu)分辨率達(dá)亞微米級(jí)，較傳統(tǒng)非偏振成像提升3倍。

此外，結(jié)合近紅外二區(qū)的低散射特性，偏振分選器件可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)神經(jīng)活動(dòng)引起的組織微環(huán)境變化。在大鼠體感皮層刺激實(shí)驗(yàn)中，偏振光聲信號(hào)成功捕捉到刺激后100ms內(nèi)微血管的偏振態(tài)波動(dòng)（對(duì)比度變化27%），為神經(jīng)血管耦合研究提供了新工具。

模擬結(jié)果顯示，該技術(shù)可將單像素?cái)?shù)據(jù)維度從傳統(tǒng)的強(qiáng)度信息擴(kuò)展至光譜-偏振-OAM三維空間，使單位面積信息量提升8倍。

在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，OAM分選技術(shù)可用于區(qū)分深層組織中的散射體類型。例如，在小鼠肝臟纖維化模型中，攜帶l=+2OAM模式的近紅外光對(duì)纖維化結(jié)節(jié)的散射截面比正常肝組織高1.8倍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)早期纖維化的特異性識(shí)別。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01三維逆設(shè)計(jì)突破近紅外光學(xué)元件設(shè)計(jì)瓶頸
傳統(tǒng)近紅外二區(qū)成像依賴機(jī)械可調(diào)濾光片或分束器，體積龐大且調(diào)控速度慢。本研究通過(guò)電磁逆設(shè)計(jì)算法（如伴隨方法）優(yōu)化亞波長(zhǎng)“體素”的介電常數(shù)分布，在三維空間中構(gòu)建光散射路徑，實(shí)現(xiàn)了光譜、偏振、OAM的協(xié)同調(diào)控。

例如，多光譜器件通過(guò)“軟加函數(shù)”（softplus function）動(dòng)態(tài)平衡各波段的聚焦效率，避免了傳統(tǒng)濾光片的帶寬限制，使近紅外二區(qū)的寬光譜成像成為可能（覆蓋1000–1700nm）。

此外，器件可集成金屬基底（如鋁制孔徑），精準(zhǔn)控制入射光束輪廓，抑制邊緣散射干擾，使近紅外光的利用率提升至60%以上。

在近紅外二區(qū)光聲成像中，同一套超材料器件可同步實(shí)現(xiàn)：①光譜分選區(qū)分血紅蛋白和脂質(zhì)；②偏振測(cè)量解析膠原纖維取向；③OAM模式分離追蹤血流動(dòng)力學(xué)。

這種多維數(shù)據(jù)融合能力，使近紅外成像從“結(jié)構(gòu)觀察”升級(jí)為“功能解碼”，在腫瘤精準(zhǔn)切除、神經(jīng)退行性疾病早期診斷等場(chǎng)景具有顯著優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)與展望
Andrei Faraon團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的三維逆設(shè)計(jì)超材料技術(shù)，雖以中紅外為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，但其核心方法論——多層納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、雙光子精準(zhǔn)制造、多維光調(diào)控策略——為近紅外二區(qū)成像的突破提供了通用解決方案。當(dāng)前，近紅外二區(qū)技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括長(zhǎng)波長(zhǎng)光學(xué)元件的小型化、寬光譜調(diào)控效率及生物相容性優(yōu)化，而超材料的可定制化設(shè)計(jì)特性恰好適配這些需求。例如，通過(guò)替換聚合物材料為生物兼容的氮化硅或氧化硅，可實(shí)現(xiàn)植入式近紅外成像探頭；結(jié)合并行雙光子寫入技術(shù)（如多光束陣列），可將器件制備時(shí)間從小時(shí)級(jí)縮短至分鐘級(jí)，推動(dòng)規(guī)�；�生產(chǎn)。

未來(lái)，隨著近紅外二區(qū)光源（如量子級(jí)聯(lián)激光器、光纖激光器）和探測(cè)器（如InGaAs焦平面陣列）的成熟，超材料技術(shù)有望在以下領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破：①腫瘤術(shù)中導(dǎo)航：通過(guò)光譜分選實(shí)時(shí)識(shí)別腫瘤邊界（基于血紅蛋白與腫瘤代謝物的吸收差異）；②腦科學(xué)研究：利用OAM分選追蹤深層神經(jīng)元活動(dòng)引發(fā)的血流模式變化；③藥物遞送監(jiān)測(cè)：通過(guò)偏振成像評(píng)估納米載體在組織中的分布和相互作用�？梢灶A(yù)見(jiàn)，超材料與近紅外二區(qū)技術(shù)的深度融合，將開(kāi)啟“深層組織分子可視化”的新時(shí)代，為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究提供革命性工具。

DOI:10.1038/s41467-023-38258-2.