临床成像技术,如磁共振成像（MRI）或计算机断层扫描（CT）,可实现对疾病的早期诊断,极大地促进了预防医学的发展。然而,对安全、紧凑、低成本替代品的需求日益增长,这促进了新型生物成像方式的发展。光学成像以其优越的时空分辨率、不受电离辐射的影响、低成本等优点在临床上得到了广泛的应用。然而,基于光的成像模式其主要缺点是光对生物组织的穿透深度低。近年来,近红外（NIR）和短波红外（SWIR）光谱区域的光致发光（PL）生物成像技术被认为是解决这一问题极具潜力的方法。由于生物组织对光的吸收和散射较低,且SWIR光谱区域的自体荧光可以忽略不计,SWIR-PL信号的可用性可以使深层组织成像具有更高的分辨率。随着光致发光生物成像技术的发展,在体内同时追踪多种光致发光试剂可以用于多种目的（例如,特定细胞或器官的靶向成像以及成像引导的药物递送）。为了应对这一挑战,人们开发了多种成像方法。最常用的多路成像方法是使用适当的光学滤波器,通过发射光谱不同来区分PL探针。然而,在这种方法中正确的多路复用需要利用具有光谱窄、PL光谱不重叠的纳米探针。在这方面,高光谱成像（HSI）结合光谱混合分析算法是一种很有前景的PL信号复用方法。本论文的目的是将深部组织的SWIR-PL成像与HSI的纳米探针复用功能结合研究。SWIR-HSI系统采用凝视（波段序列）采集方式,即通过改变色散元件的光谱透射率来连续采集二维光谱图像。与其他HSI模式相比,这种方法允许在指定的光谱范围内采集图像,从而减少了超立方体的总采集时间。选择波长在900-1700纳米光谱范围内的SWIR相机作为系统的探测器。其中,相机传感器的冷却系统大大提高了信噪比,并能够检测微弱的PL信号。使用液晶可调谐滤波器（LCTF）作为色散元件,可以在SWIR相机的整个灵敏度范围内调谐传输波长。此外,研究中还研发了相应的照明系统,实现了样品的光致发光激发和明场照明。此外,为了实现超立方体的自动采集,并将所有的硬件控制集成在一个计算机程序中,研究中还开发了配套的采集软件。这套基于LABVIEW的软件集硬件初始化、系统实时调整和光谱图像采集于一体。获得的光谱分辨图像序列（光谱超立方体）是包含多个具有不同光谱特征的成分（末端成员）的混合物。为了提取这些分量的丰度,必须将谱分解算法应用到所获得的超立方体中。具体来说,监督线性谱混合分析（LSMA）算法可以应用于PL-HSI数据的处理,用于先前获得的端部成员的PL谱。因此,将非负约束LSMA（NC-LSMA）算法应用于SWIR-HSI超立方体的分析。利用MATLAB开发环境,研究中开发了实现NC-LSMA算法的频谱分解软件。该软件集数据导入、快速处理、直观可视化和导出于一体。综合数据测试表明,所开发的解混软件具有进行复杂线性混合分析的能力。高效、灵敏的SWIR成像探测器的发展促进了PL生物成像的发展,它利用了生物组织在SWIR光谱区（约1000-1700nm）的优良光学特性。由于缺少内源性的SWIR发射造影剂,许多光致发光纳米探针被开发用于生物组织的SWIR-PL成像。本研究采用了两种近红外（NIR-SWIR）纳米造影剂:染料负载聚合物纳米颗粒（PNP）和稀土离子掺杂纳米颗粒（RENP）。用2-氮杂唑啉多甲川染料对预先合成的聚苯乙烯（PS）-聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）核壳纳米粒子进行后装载。所获得的纳米制剂在近红外波段表现出吸收/发射特性,这使得它们可以应用于高对比度的深部组织生物成像。随后,将预先合成的核壳聚苯乙烯（PS）-聚N-异丙基丙烯酰胺-共-丙烯酸（PS-PNIPAM-co-AA）纳米粒子与2-氮杂唑啉聚甲川染料和2-（1-己酰氧乙基）-2-二乙烯基焦磷酸-a（HPPH）光敏剂共负载。设计的纳米制剂可结合SWIR-PL成像和光动力疗法（PDT）模式来实现“成像和治疗一体化”的概念。细胞成像和活性测定显示细胞摄取PNPs和PDT作用可有效结合。对皮下肿瘤小鼠的体内研究表明,可以在可见的近红外区进行纳米制剂的生物分布成像,以促进成像引导的PDT。RENPs是另一类具有良好光稳定性和大Stokes位移的SWIR发射纳米探针,可以有效地用作SWIR对比剂。然而,大多数报道的SWIR-RENP在980nm处被激发,这导致了生物热效应。为了解决这一问题,我们制备了一类Er3+敏化的NaErF4:Yb3+@NaLu F4核壳纳米晶,在808nm的激发下,在1525nm处发射出有效的SWIR发射峰,而不产生局部加热。由于对上转换路径的有效抑制,设计的纳米晶体具有11%的量子产率。这些明亮的SWIR纳米探针被证明能够在体外对HeLa细胞进行成像,在体内通过头骨能对小鼠脑血管系统进行高对比度的成像。此外,RENPs物理性质的温度依赖性提供了通过评估特定PL峰强度之间的比率（发光强度比,LIR）进行非侵入性温度探测的可能性。将预先合成的NaYbF4:1%Tm3+@NaLu F4:30%Nd3+核壳纳米颗粒应用于牙科材料光聚合过程中温度的无损检测。当激发波长为808nm时,合成的纳米颗粒在865nm和980nm处发射出两个明显的近红外发光峰,分别对应于掺杂Nd3+和Yb3+离子的辐射跃迁。发现这两个波段之间的发光强度比随温度变化,并允许在单板放置过程中对树脂水泥（掺杂纳米颗粒）光聚合过程中的原位温度进行比率测量评估。此外,由于牙科陶瓷在近红外光谱区的光衰减降低,近红外发射也能对贴面下粘合剂的分布进行高对比度成像。最后,研究中将SWIR-HSI与解混算法相结合,利用其发光光谱对SWIR发射纳米制剂进行了复用。在单次激光激发下,两种RENP,即NaEr F4:Yb@Na LuF4和NaErF4:Y@NaLuF4,显示出相似的光致发光,被用于SWIR-HSI成像。由此得到的超立方体的解离证明了两个纳米探针的有效复用,以及它们混合物中丰度值的估计。通过去除超立方体中的噪声信号,光谱图像的对比度得到了很大的提高。此外,在约5mm的组织深度上,证明了纳米探针通过SWIR-HSI复用的可行性。随后,在活体动物（裸鼠）皮下注射具有相同光谱范围（900-1200 nm）的SWIR发射的两种纳米探针（PNPs和RENPs）,并使用SWIR-HSI对不同发射光谱形状的纳米探针进行复用。随后使用开发的分解软件进行重建,可以绘制纳米探针在体内的分布图。综上所述,本文首次报道了HSI在集成多种创新方法的SWIR光致发光纳米探针复用中的应用。首先,设计了一种新型的SWIR-PL-HSI系统,该系统能够实现组织深部PL的采集。第二,开发的解混软件能够利用HSI数据对多个纳米探针进行高精度复用。此外,还设计了四种新型的SWIR发光纳米探针用于SWIR-PL成像和纳米测温。这些方法的组合应用使得具有重叠PL光谱的NIR-SWIR PL纳米探针使体内复用成像成为可能,这在传统的PL成像中是无法实现的。