Fluorescence imaging in the second near-infrared window (NIR-II) allows visualization of deep anatomical features with an unprecedented degree of clarity. NIR-II fluorophores draw from a broad spectrum of materials spanning semiconducting nanomaterials to organic molecular dyes, yet unfortunately all water-soluble organic molecules with >1,000 nm emission suffer from low quantum yields that have limited temporal resolution and penetration depth. Here, we report tailoring the supramolecular assemblies of protein complexes with a sulfonated NIR-II organic dye (CH-4T) to produce a brilliant 110-fold increase in fluorescence, resulting in the highest quantum yield molecular fluorophore thus far. The bright molecular complex allowed for the fastest video-rate imaging in the second NIR window with ∼50-fold reduced exposure times at a fast 50 frames-per-second (FPS) capable of resolving mouse cardiac cycles. In addition, we demonstrate that the NIR-II molecular complexes are superior to clinically approved ICG for lymph node imaging deep within the mouse body.

In vivo fluorescence imaging in the near-infrared region between 1500-1700 nm (NIR-IIb window) affords high spatial resolution, deep-tissue penetration, and diminished auto-fluorescence due to the suppressed scattering of long-wavelength photons and large fluorophore Stokes shifts. However, very few NIR-IIb fluorescent probes exist currently. Here, we report the synthesis of a down-conversion luminescent rare-earth nanocrystal with cerium doping (Er/Ce co-doped NaYbF4 nanocrystal core with an inert NaYF4 shell). Ce doping is found to suppress the up-conversion pathway while boosting down-conversion by ~9-fold to produce bright 1550 nm luminescence under 980 nm excitation. Optimization of the inert shell coating surrounding the core and hydrophilic surface functionalization minimize the luminescence quenching effect by water. The resulting biocompatible, bright 1550 nm emitting nanoparticles enable fast in vivo imaging of blood vasculature in the mouse brain and hindlimb in the NIR-IIb window with short exposure time of 20 ms for rare-earth based probes.Fluorescence imaging in the near-infrared window between 1500-1700 nm (NIR-IIb window) offers superior spatial resolution and tissue penetration depth, but few NIR-IIb probes exist. Here, the authors synthesize rare earth down-converting nanocrystals as promising fluorescent probes for in vivo imaging in this spectral region.

The near-infrared-IIb (NIR-IIb) (1,500-1,700 nm) window is ideal for deep-tissue optical imaging in mammals, but lacks bright and biocompatible probes. Here, we developed biocompatible cubic-phase (α-phase) erbium-based rare-earth nanoparticles (ErNPs) exhibiting bright downconversion luminescence at ~1,600 nm for dynamic imaging of cancer immunotherapy in mice. We used ErNPs functionalized with cross-linked hydrophilic polymer layers attached to anti-PD-L1 (programmed cell death-1 ligand-1) antibody for molecular imaging of PD-L1 in a mouse model of colon cancer and achieved tumor-to-normal tissue signal ratios of ~40. The long luminescence lifetime of ErNPs (~4.6 ms) enabled simultaneous imaging of ErNPs and lead sulfide quantum dots emitting in the same ~1,600 nm window. In vivo NIR-IIb molecular imaging of PD-L1 and CD8 revealed cytotoxic T lymphocytes in the tumor microenvironment in response to immunotherapy, and altered CD8 signals in tumor and spleen due to immune activation. The cross-linked functionalization layer facilitated 90% ErNP excretion within 2 weeks without detectable toxicity in mice.

Organic fluorophores have been widely used for biological imaging in the visible and the first near-infrared windows. However, their application in the second near-infrared window (NIR-II, 1000–1700 nm) is still limited mainly due to low fluorescence quantum yields (QYs). Here, we explore molecular engineering on the donor unit to develop high performance NIR-II fluorophores. The fluorophores are constructed by a shielding unit–donor(s)–acceptor–donor(s)–shielding unit structure. Thiophene is introduced as the second donor connected to the shielding unit, which can increase the conjugation length and red-shift the fluorescence emission. Alkyl thiophene is employed as the first donor connected to the acceptor unit. The bulky and hydrophobic alkyl thiophene donor affords larger distortion of the conjugated backbone and fewer interactions with water molecules compared to other donor units studied before. The molecular fluorophore IR-FTAP with octyl thiophene as the first donor and thiophene as the second donor exhibits fluorescence emission peaked at 1048 nm with a QY of 5.3% in aqueous solutions, one of the highest for molecular NIR-II fluorophore reported so far. Superior temporal and spatial resolutions have been demonstrated with IR-FTAP fluorophore for NIR-II imaging of the blood vessels of a mouse hindlimb.

A new design for second near-infrared window (NIR-II) molecular fluorophores based on a shielding unit–donor–acceptor–donor–shielding unit (S-D-A-D-S) structure is reported. With 3,4-ethylenedioxy thiophene as the donor and fluorene as the shielding unit, the best performance fluorophores IR-FE and IR-FEP exhibit an emission quantum yield of 31% in toluene and 2.0% in water, respectively, representing the brightest organic dyes in NIR-II region reported so far. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Abstract Fluorescence imaging of biological systems in the second near-infrared (NIR-II, 1000–1700 nm) window has shown promise of high spatial resolution, low background, and deep tissue penetration owing to low autofluorescence and suppressed scattering of long wavelength photons. Here we develop a bright organic nanofluorophore (named p-FE) for high-performance biological imaging in the NIR-II window. The bright NIR-II >1100 nm fluorescence emission from p-FE affords non-invasive in vivo tracking of blood flow in mouse brain vessels. Excitingly, p-FE enables one-photon based, three-dimensional (3D) confocal imaging of vasculatures in fixed mouse brain tissue with a layer-by-layer imaging depth up to ~1.3 mm and sub-10 µm high spatial resolution. We also perform in vivo two-color fluorescence imaging in the NIR-II window by utilizing p-FE as a vasculature imaging agent emitting between 1100 and 1300 nm and single-walled carbon nanotubes (CNTs) emitting above 1500 nm to highlight tumors in mice.

Significance In vivo fluorescence imaging in near IR-IIb window (1,500–1,700 nm) can provide high spatial and temporal resolution and deep tissue penetration for fundamental research and potential translations. Herein, a bright fluorescent probe emitting at ∼1,600 nm based on lead sulfide (PbS)/CdS quantum dots was developed. The CdS shell helped to chemically passivate and retain the high fluorescence of the PbS core after phase transfer to aqueous solutions for biocompatibility. The 1,600-nm emitting probe allowed noninvasive, millimeter-deep fluorescence imaging at high speeds up to 60 frames per second with micrometer-scale spatial resolution in 2D wide-field and 3D confocal modes. The probes were nontoxic and largely excreted over 1 month, providing a tool for in vivo research of preclinical animal models.

Traumatic brain injury (TBI) is a leading cause of death and disability worldwide. A bright, renal-excreted, and biocompatible near-infrared II fluorophore for in vivo imaging of TBI is designed. A transient hypoperfusion in the injured cerebral region, followed by fluorophore leakage, is observed. NIR-II fluorophores can provide noninvasive assessment of TBI. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Significance Fluorescence-based optical imaging is an important tool allowing researchers and clinicians to molecularly probe wide-ranging biological structures and processes. To break through the traditional molecular imaging window spanning from the visible to the near-infrared (NIR)-I (400–900 nm) region for imaging multiplicity, newly designed and ultrapurified fluorescent probe-antibody conjugates with fluorescence emissions in the NIR-II region (1,000–1,700 nm) have been developed. These NIR-II probes can reduce background autofluorescence for deep-tissue molecular imaging in a 3D imaging mode. These probes open up more and deeper nonoverlapping molecular imaging channels for complex biological systems.

Abstract Light scattering by biological tissues sets a limit to the penetration depth of high-resolution optical microscopy imaging of live mammals in vivo . An effective approach to reduce light scattering and increase imaging depth is by extending the excitation and emission wavelengths to the > 1000 nm second near-infrared (NIR-II), also called the short-wavelength infrared (SWIR) window. Here, we developed biocompatible core-shell lead sulfide/cadmium sulfide (PbS/CdS) quantum dots emitting at ~1880 nm and superconducting nanowire single photon detectors (SNSPD) for single-photon detection up to 2000 nm, enabling one-photon fluorescence imaging window in the 1700-2000 nm (NIR-IIc) range. Confocal fluorescence imaging in NIR-IIc reached an imaging depth of ~ 800 μm through intact mouse head, and enabled non-invasive imaging of inguinal lymph nodes (LNs) without any surgery. In vivo molecular imaging of high endothelial venules (HEVs) with diameter down to ~ 6.6 μm in the lymph nodes was achieved, opening the possibility of non-invasive imaging of immune trafficking in lymph nodes at the single-cell/vessel level longitudinally.