近日，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院高錦豪教授課題組在發(fā)展多通道19F核磁共振技術(shù)進(jìn)行成像和信息編碼方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Super-multiplexed imaging and coding in the range of radio frequency”為題，發(fā)表在Nature Communications。
 

　　成像是人類獲取信息的核心方式之一，人類約80%的信息來源于裸眼視覺的成像感知。因此，提升成像技術(shù)對(duì)于提高信息感知和處理能力至關(guān)重要。其中，多通道成像因能同時(shí)采集多個(gè)獨(dú)立信號(hào)，能夠顯著提升信息獲取密度，在生物醫(yī)學(xué)成像、遙感探測(cè)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。然而，受限于物理原理，許多現(xiàn)有成像技術(shù)的通道數(shù)仍較為有限。開發(fā)具有更高通道數(shù)的成像技術(shù)，不僅能提升信息密度，還能在信息爆炸的時(shí)代提供更高效的數(shù)據(jù)獲取手段，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
 

　　磁共振成像(MRI)是一種依賴磁性原子核在射頻波段的發(fā)射信號(hào)來進(jìn)行成像的技術(shù)。因其深層穿透能力，1H磁共振成像(1H MRI)已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用于獲得生物體內(nèi)的解剖學(xué)信息。相比之下，19F磁共振成像(19F MRI)以19F原子核為信號(hào)源，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，19F具有超過350 ppm的寬化學(xué)位移范圍，理論上可提供70多個(gè)獨(dú)立信號(hào)通道；其次，19F的生物本底信號(hào)極低，使得其成像信號(hào)專一性高。然而，當(dāng)前19F MRI的應(yīng)用主要集中在生物示蹤，如細(xì)胞追蹤和生物靶標(biāo)監(jiān)測(cè)，且目前最多僅實(shí)現(xiàn)了9通道成像。19F MRI在多通道成像和信息編碼方面的潛力尚未被充分挖掘。
 

 

　　高錦豪教授課題組選擇22種具有不同化學(xué)位移的含氟砌塊，并引入季銨鹽結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合成了22種氟化膽堿衍生物(FCho)作為19F MRI信號(hào)源，成功驗(yàn)證了22通道19F MRI的可行性(如圖)。選擇其中16個(gè)通道進(jìn)行了二進(jìn)制16位編碼，實(shí)現(xiàn)了19F MRI信息編碼的概念性驗(yàn)證。基于FCho的獨(dú)特離子性質(zhì)，結(jié)合氟化酰胺(FAm)，構(gòu)建了氟化深共熔溶劑(FDES)，表現(xiàn)出MRI信號(hào)雙組分可調(diào)控特性。FDES是一種高效的信息存儲(chǔ)介質(zhì)，適用于多重二維碼加密、雙色水印等應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，課題組開發(fā)了基于FDES的氟化離子凝膠，既保留了FDES的高氟含量和雙組分特性，又克服了液態(tài)FDES的流動(dòng)性限制，使其具備固定形狀，可附著于物體表面或內(nèi)部。得益于MRI的高穿透能力，離子凝膠可作為隱蔽的防偽標(biāo)簽，通過19F MRI在不破壞物品結(jié)構(gòu)的情況下無損讀取隱藏信息。此外，課題組還開發(fā)了一種基于肉眼視覺和19F MRI感知的空間信息加密策略，實(shí)現(xiàn)了更高級(jí)的信息加密方式。該研究不僅拓展了磁共振成像的應(yīng)用邊界，還展示了多通道19F MRI在信息編碼、存儲(chǔ)和加密中的潛在價(jià)值，為成像技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合提供了新的可能性。
 

　　該項(xiàng)研究工作主要在高錦豪教授和林泓域教授的共同指導(dǎo)下完成，2021級(jí)博士生江宇航為第一作者。該論文得到國家自然科學(xué)基金(22125702、22077107、22477104)和福建省自然科學(xué)基金(2023J06002)等項(xiàng)目資助。