光声光谱技术在生物医学领域的发展与应用解析
光谱技术与应用
光谱技术与应用光谱技术是研究和应用光的科学，通过对物质与光的相互作用进行测量与分析。
光谱技术包括广泛的方法，如可见光、紫外光（UV）、红外光（IR）和拉曼光谱等，它们具有独特的特点和应用。
以下是光谱技术的一些常见应用：1. 可见光和紫外光吸收光谱：这种技术用于测量溶液或固体材料在可见光和紫外光范围内吸收的光的强度。
这可以帮助我们了解物质的组成、浓度、结构和稳定性。
它被广泛应用于颜色测量、化学分析和材料表征。
2. 红外光光谱：红外光谱技术用于测量物质对红外辐射的吸收。
它提供了关于物质振动和旋转能级的信息，可用于识别有机和无机化合物、分析功能团、研究分子结构等。
此外，红外光谱还可以应用于气体分析、食品检测和环境监测。
3. 拉曼光谱：拉曼光谱技术基于物质发生激发态的振转和旋转转变时发射或散射光粒子的能量差异，提供关于物质振动和分子结构的信息。
拉曼光谱在化学和材料科学中具有广泛应用，可以用于物质的成分分析、相变研究、微量探测等。
4. 荧光光谱：荧光光谱技术用于研究物质通过光吸收后再发射的光谱特性。
这种技术可以用来检测材料的组成、测量荧光强度和寿命，了解分子间相互作用，以及细胞和组织的荧光标记。
5. 质谱：质谱被用于分析物质的质量、质量比和结构。
质谱技术可以提供关于分子的质量、组成、分子结构、碎片图谱等信息。
它在化学、环境科学、生命科学等领域有广泛应用，包括物质探索、代谢组学、药物检测等。
除了上述应用，光谱技术在食品安全检测、医学诊断、环境监测、材料研究等领域都具有重要作用。
这些技术的研究和应用有助于我们更好地理解和探索物质的特性和行为，为科学研究和工业领域提供有价值的工具。
生物光子学在生物医学研究中的应用
生物光子学在生物医学研究中的应用生物光子学是一门综合性的学科，旨在研究生物体内的光学现象以及利用光学方法进行生物医学研究。
生物光子学已经被广泛应用于生物医学研究领域，可以通过光学成像、光谱分析以及光学治疗等手段实现对生物分子、细胞和组织的非侵入性、高分辨率的检测和操作。
下面将详细介绍生物光子学在生物医学研究中的应用。
首先，生物光子学在生物医学研究中的一个主要应用是光学成像技术，包括荧光成像、光声成像和光学相干断层扫描（OCT）等。
荧光成像技术可以通过标记荧光染料或融合荧光蛋白的方式，实现对生物体内特定分子的可视化观测。
例如，通过标记肿瘤细胞特异性的荧光物质，可以用来检测和跟踪肿瘤细胞的动态过程，包括研究肿瘤的生长、转移和治疗效果等。
光声成像技术则利用光声效应来实现对生物组织的高分辨率成像。
光声成像具有高灵敏度和高对比度的特点，可以提供生物组织的形态结构和功能信息。
OCT是一种非侵入性的全息断层扫描技术，利用光的干涉效应来实现对组织的高分辨率断层成像。
OCT在眼科疾病的诊断和治疗中有广泛应用，特别是在角膜和视网膜疾病的早期诊断方面。
其次，生物光子学在生物医学研究中的另一个重要应用是光学谱学分析。
光学谱学分析可以通过检测生物体内的光学信号，获得与生物分子结构和功能相关的信息。
例如，近红外光谱分析（NIRS）可以通过测量由近红外光与组织交互作用产生的光学信号，实现对脑血氧含量和脑功能活动的监测和研究。
此外，拉曼光谱分析可以通过测量样品散射光的能量和频率变化，实现对生物分子的定性和定量分析。
拉曼光谱分析具有无损伤、非侵入性的特点，可以用于生物组织和体液的检测和诊断，例如检测癌症早期生物标志物、体外精子质量评估等。
最后，生物光子学在生物医学研究中还被广泛应用于光学治疗领域。
光动力疗法是一种利用光敏剂和特定波长的光照射来杀灭肿瘤细胞的方法。
光动力疗法可以选择性地破坏肿瘤组织，并且对周围健康组织的损伤较小。
此外，生物光子学还用于光学递送药物和基因治疗等新型治疗方法的研发。
人鼻咽癌细胞株CNE1和CNE2的光声光谱(1)解析
人鼻咽癌细胞株CNE1和CNE2的光声光谱(1)】目的:了解人鼻咽癌细胞的光谱吸收特性。
方法：利用单光束光声光谱技术测量两株人鼻咽癌细胞（CNE1、CNE2）的归一化光声光谱。
结果：在波长为380nm～700nm范围内，这两株人鼻咽癌细胞的光声光谱吸收特性存在着显著差异,它们的光谱吸收强度大小为：CNE2> CNE1。
结论：利用光声光谱技术能够区分不同的人鼻咽癌细胞株的光谱差异性，从而表明该技术能为鼻咽癌的研究提供一种新方法。
【关键词】光声光谱鼻咽癌细胞株The Photoacoustic Spectroscopy of CNE1 and CNE2 Human Nasopharyngeal Carcinoma Cell LinesAbstract Objective: To investigate optical absorption characteristics of human nasopharyngeal carcinoma cell lines. Methods: The standardized photoacoustic spectroscopy of the two human nasopharyngeal carcinoma cell lines (CNE 2 and CNE1) were measured respectively using single beam photoacoustic spectroscopy technique. Result: In the range from 380nm to 700nm, the marked difference between CNE 2 and CNE 1 is found in the photoacoustic spectroscopy absorption characteristics. Optical ahsorqtion intensity of the two cell lines is : CNE2> CNE 1. Conclusion: The results shows that tells the difference about different nasopharyngeal carcinoma cell lines on spectroscopy using the photoacoustic spectroscopy technique.The photoacoustic spectroscopy technique may provide a new way on further research on nasopharyngeal carcinoma.Key words photoacoustic spectroscopy; nasopharyngeal carcinoma; cell line光声光谱技术是一种灵敏度高和普适性强的吸收光谱探测新技术。
光谱技术的应用
光谱技术的应用
光谱技术是一种将信号波长和强度进行测量和分析的技术，可以应用于多种领域。
1. 化学分析：光谱技术可以用于化学物质的定性和定量分析。
例如，紫外可见光谱（UV-vis）可以用于测量物质的吸收光谱，从而推断其化学成分和浓度。
红外光谱（IR）可以用于分析物质的分子结构和功能基团。
2. 材料科学：光谱技术可以用于材料的结构分析和性能研究。
例如，X射线光电子能谱（XPS）可以用于表面分析，从而揭
示材料表面的元素组成和化学状态。
拉曼光谱可以用于材料的晶格结构和分子振动模式的研究。
3. 生物医学：光谱技术在生物医学领域有广泛的应用。
例如，荧光光谱可以用于药物和生物分子的检测和定量分析。
近红外光谱（NIR）可以用于非侵入性生物组织成像和血液氧合水平
的检测。
4. 环境监测：光谱技术可以用于环境样品中污染物的检测和监测。
例如，原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体发射
光谱（ICP-OES）可以用于水、土壤和空气中微量金属元素的
测定。
5. 能源领域：光谱技术可以用于太阳能电池的研究和优化。
例如，光电流谱（EL）可以用于表征太阳能电池的光电转换效
率和器件缺陷。
总之，光谱技术在化学、材料科学、生物医学、环境监测和能源等领域都有广泛的应用，为科学研究和技术发展提供了重要的工具。
光声光谱的原理与应用
光声光谱的原理与应用1. 光声光谱的基本原理光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy，简称PAS）是一种利用光声效应来研究材料的物理性质和化学反应的技术。
它结合了光学和声学的优点，通过测量由光热效应引起的声波信号的特性来分析物质的组成、结构和浓度。
光声光谱的基本原理如下：•光吸收：当物质被激发后，吸收入射光的能量。
•光热效应：吸收的光能被转化为热能，导致物质温度升高。
•热膨胀：高温下，物质体积膨胀，产生声波。
•声波检测：使用超声传感器等装置检测物质产生的声波信号。
•光声信号分析：对声波信号进行分析，得到有关物质的信息。
2. 光声光谱的应用领域光声光谱的独特优势使得它在许多领域得到广泛应用。
以下是几个典型的应用领域：2.1 医学领域•生物组织成像：光声光谱可用于非侵入性的生物组织成像，以获得组织的形态、功能和代谢信息。
•肿瘤检测：通过对肿瘤组织的光声信号进行分析，可以实现肿瘤的早期检测和定位。
•药物递送：光声光谱可以用于监测药物在生物体内的分布和释放过程，提高药物递送的精确性和效率。
2.2 环境监测•大气污染监测：光声光谱可以用于监测大气中有害气体的浓度和分布，为环境保护提供重要依据。
•水质分析：利用光声光谱可以检测水中有机物和无机物的浓度，帮助保护水资源。
2.3 材料科学•光声检测：光声光谱可用于材料的表征和质量检测，如薄膜的厚度测量、光学透明度的测定等。
•光声显微镜：通过结合光学显微镜和光声技术，可以观察材料微观结构和性质。
3. 光声光谱的优势光声光谱相比于传统的光谱分析方法具有以下几个优势：•高灵敏度：光声效应可以将光能转化为声波信号，提高了信号的检测灵敏度。
•非侵入性：光声光谱无需对物质进行特殊处理，可以对生物组织等敏感样品进行非侵入性测试。
•多参数分析：光声光谱可以同时获得物质的光学和声学信息，能够提供更多的参数用于分析。
•宽波长范围：光声光谱可以在紫外、可见、近红外等波段进行光学激发，适用于多种物质的分析。
拉曼光谱技术的发展及其在生物医学领域中的应用
拉曼光谱技术的发展及其在生物医学领域中的应用
拉曼光谱技术是一种非常有前景的分析技术，已经在许多领域得到了广泛应用，尤其是在生物医学领域中。
以下是拉曼光谱技术的发展及其在生物医学领域中的应用的一些简要介绍：
发展历程：拉曼光谱技术最早在20世纪20年代被发现，但由于其信号弱、噪声大的特点，一直未能得到广泛应用。
直到20世纪70年代后期，随着激光技术的发展和光学探测器的改进，拉曼光谱技术才开始得到重视。
近年来，随着光学器件和计算机技术的进步，拉曼光谱技术已经成为一种快速、无损、非破坏性的分析方法，广泛应用于物质结构、化学成分、纯度、晶体缺陷等方面的研究。
生物医学应用：拉曼光谱技术在生物医学领域的应用非常广泛。
首先，它可以用来研究生物分子的结构和功能，例如蛋白质、核酸、多糖等。
其次，它可以用来研究生物样品中的代谢产物，例如血液、尿液等。
拉曼光谱技术还可以用来研究细胞和组织，例如肿瘤组织的诊断和治疗等。
此外，拉曼光谱技术还可以用来检测和鉴别药物和毒品等。
优势和前景：相对于传统的生物医学分析方法，拉曼光谱技术具有很多优势，例如速度快、无需样品处理、无损伤、非破坏性等。
此外，随着仪器的进一步改进和技术的发展，拉曼光谱技术在生物医学领域中的应用前景非常广阔，将有望成为一种重要的生物医学研究工具。
光声光谱技术在医学中的应用
光谱 法和反射光谱 法所不及 的独特 优点 ① 普适性强 ．对 固
体 ， 体 和 气 体 样 品 都 适 用 （ ： 体 组 织 、 胳 、 棱 、 棱 液 如 人 骨 血 体 等 ） 可 以不 受 教 测 样 品 的形 状 及 形 态 的 限 制 ， 种 样 品 可 ；（ 各 不 经 预 处 理 ， 可 直 接 进 行 测 量 ． 但操 作 简便 ． 重 要 的是 保 就 不 更 持样 品 的 自然 状 态 ， 一 种 无 损 检 测 的 有 效 方 法 ；（ 品 用 是 样 量少 ， 只用 毫 克 数 量 级 的样 品就 可 以 获得 各 种 形 态 化合 钧 的 电
声池 内的样 品吸收 了斯续光 ， 便产 生光声信号 。此信号用檄音 器或压电器件等敏感元件检测。检测到的信号经过放大后 ， 由
锁相放 大器等提高信噪比（／ 。光声信号大小与光 源强度成 Ｓ Ｎ）
正比 ， 以， 所 如果光源 的强度有波动。 则光声信号的强 度也因此
而 产生 波动 。为 了避 免 由 于 光 源 波 动 而造 成 的 测量 误差 ． 用 可
冯 永撮 ．刘空 龙 庸 志 纠 晦 曼 生 。 ，奈 兜 先 ’
１广 东 医 学 皖 物 理 教 研 室 ，广东 湛江 ５ ４ ２３ 华 南 师 范大 学 物 理 系 ．广 东 广 州 ￥ １ ３ ２０ ３ ； １ ￥１ ￣ ３井 冈 山师 范学 院 物 理 系 ，江 西 井 冈 山 ３ ｏ ） ． ０９
究者十分感兴趣的。 光声光谱就是对传统光谱在这些过程方 面 的一个补充。它 与传统光谱技术 的主要区别在它的检测方法 。
不 是 直 接 对人 射物 质后 出射 的 某 些 光 子 的 检 测 ， 而是 对光 束 与 物 质 相 互 作 用所 吸 收 的姥 量 的 测 量０。光 声 光 谱 的 波 长 范 围很 １ 竟， 从紫 外 区经 可 见 区一 直 到 红外 区 。 光 声 光谱 仪 主要 由光 源 、 波 器 、 声 弛 、 敏 元 件 、 大 斩 光 声 放 器、 信号 处 理 系 统 和 记 录 系统 等组 成 。 臂 样 品 的 形态 如 何 （ 不 气 体、 棱体 、 固体 ）所 使 用 仪 器 的 基 本 构造 相 同 。 基车 构造 如 图 ． 其 ｌ 示ｑ 所 。从 光源 发 出 的光 用 斩 波 器 词 制 成 斯续 光 （ 制光 ）说 调 （ 明： 为得 到断 续 光 ． 可 以直 接 用 棘 冲光 源 ）照 刊 光 声 池 上 ． 也 ． 光
光声成像技术及其医学应用进展
光声成像技术及其医学应用进展曾礼漳;杨思华;邢达【摘要】光声成像技术是一种具有广泛应用前景的无损生物医学成像技术，其结合了纯光学成像高选择特性和纯超声成像中深穿透特性的优点，克服了光在组织中的高散射限制，实现了对活体深层组织的高分辨、高对比度成像。
近年，光声成像技术得到了飞速发展，从技术层面到应用层面都在不断突破。
文中阐述了光声成像技术的基本原理，介绍各种光声成像方法模式的发展现状，总结光声成像技术的优点并展望其在生物医学领域的应用前景及面临的挑战。
%Photoacoustic imaging ( PAI) is a kind of nondestructive biomedical imaging technology with wide appli-cation prospect.It overcomes the optical diffusion limit and provides deeper tissue imaging with high spatial resolu-tion by integrating high selectivity of optical imaging with deep penetrating of ultrasonic imaging.PAI has potential for clinical application.Recently, PAI technology is developed fastly in methodology and medical applications.The principle and development status of PAI are described in this paper.Finally, the advantages of the PAI are summa-rized, and the application prospects of PAI in biomedical field are discussed.【期刊名称】《华南师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(048)001【总页数】7页(P9-15)【关键词】光声成像;高分辨率;生物医学【作者】曾礼漳;杨思华;邢达【作者单位】华南师范大学生物光子学研究院，激光生命科学研究所暨激光生命科学教育部重点实验室，广州 510631;华南师范大学生物光子学研究院，激光生命科学研究所暨激光生命科学教育部重点实验室，广州 510631;华南师范大学生物光子学研究院，激光生命科学研究所暨激光生命科学教育部重点实验室，广州510631【正文语种】中文【中图分类】O439光声成像技术是即将临床应用的新一代医学影像方法．目前开展光声成像在生物医学方向研究的国家主要有美国、英国、中国、日本等．具有代表性的研究团队和他们的成果有：由美国华盛顿大学圣路易斯分校的WANG等设计开发的光声显微成像系统[1-2]，美国休斯敦TomoWave实验室的ORAEVSKY等研发的基于多元阵列换能器和并行采集电路的Louisa 3D小动物与Louisa 3D乳腺光声成像系统[3-4]，美国佛罗里达大学的JIANG等将有限元算法用于光声成像中[5-6]，英国伦敦学院大学的Beard PC团队发展了基于Fabry Perot聚合物薄膜传感干涉仪的光声成像技术[7]，德国慕尼黑技术大学的RAZANSKY小组通过应用多波长成像以反映心脏、肿瘤的血流状况，同时像吲哚青绿 (ICG)、纳米壳和纳米棒等外源造影剂也被应用到光声成像中来解决一些诊断问题[8-11]．近10余年来，华南师范大学邢达教授课题组深入研究成像算法、探测模式以及应用基础等，取得了一些重要的科研成果：在算法方面，WANG等[12]提出将光声信号进行逆卷积的方法去除探测器脉冲响应对探测光声信号的影响，YANG等[13-14]成功地将小角度滤波反投影应用于多元线性阵列探测技术进行图像重建，使图像的分辨率得到大幅提高；在系统研发方面，YIN等[15]首次采用多元线性阵列探测器结合相控聚焦技术，实现了快速的光声信号采集；在应用方面，YANG等[16-17]首先将光声成像技术应用于脑损伤的无损检测，XIANG等[18]将光声成像引入光动力治疗中对血管损伤的检测，YIN等[19]将光声成像和双环检测系统相结合，实现了血氧饱和度的定点连续实时检测，2010年以来该课题组将预临床光声内窥镜系统用于离体肠癌组织以及正常肠组织的甄别[20]，发展了基于扫描振镜的光声显微系统，实现了光学分辨率的光声成像，在国际上首次提出了光声成像检测生物组织粘弹性的新方法[21-23]．目前，课题组利用光声粘弹成像方法开展识别易损动脉粥样硬化斑块的应用研究；发展了基于功能纳米探针的光声成像——光声分子成像，可以在活体层面对病理过程进行分子水平的定性和定量研究，将为实现目标疾病的早期诊断提供强大的技术支持[24-28]；进一步发展了微型多光谱光声内窥成像系统，该系统用于检测心脑血管疾病，已经在动物模型中开展实验研究，取得重大研究成果[29]，内窥光声成像系统目前已经开始着手临床研究．此外，华南师范大学唐志列教授研究小组[30]、福建师范大学的李晖教授研究小组[31]、天津大学的姚建全院士研究小组[32]、南开大学的方晖教授研究小组以及中国科学院深圳先进技术研究院的宋亮博士研究小组也在开展光声成像技术研究[33-35]．本文从光声成像技术的基本原理出发，简单介绍光声成像的研究热点问题，包括光声显微成像技术、光声粘弹成像成像技术、光声内窥成像技术、光声分子功能成像及光声多模态成像,并展望了光声成像技术的未来发展方向及亟待解决的问题．脉冲激光照射生物组织时，位于组织体内的吸收体吸收脉冲光能量，产生瞬时升温并膨胀，产生超声波．这时位于组织体表面的超声探测器可以接收到这些外传的超声波，并根据探测到的光声信号来重建组织内光能量吸收分布的图像[12-15](图1)．该方法有机地结合了光学成像和声学成像的特点，可提供深层组织高分辨率和高对比度的组织断层图像，通过光声成像得到高分辨率和高对比度的组织图像，从原理上避开了光散射的影响，突破了高分辨率光学成像深度“软极限”(约1 mm)，可实现50 mm的深层活体内组织成像．因此，光声成像必将带来生物医学影像领域的一次革新．光声成像技术引起了众多研究者的关注，成为近年来医学成像领域的研究热点．光声成像将光学成像和超声成像的优点结合起来，一方面，在光声成像中用来重建图像的信号是超声信号，生理组织对超声信号的散射要比对光信号的散射低2～3个数量级，因此可提供较深的成像深度和较高的空间分辨率；另一方面，相比纯超声成像，光声图像中不同组织间的光学对比度较高．与传统医学影像技术相比，光声成像具有如下特点：(1)光声成像能够实现高特异性光谱组织的选择激发，不仅可以反映组织结构特征，更能够实现功能成像，开创一种有别于传统医学影像技术的新成像方法与技术手段．(2)光声成像结合了光学成像和声学成像的优点，可突破激光共聚焦显微成像、双光子激发显微成像、光学弱相干层析成像等高分辨率光学成像深度“软”极限(约1 mm)；另一方面，拥有更高的分辨率，其图像分辨率可达到亚微米、微米量级，可实现高分辨率的分子成像．(3)光声成像是一种非入侵、非电离的无损伤的成像技术．因此，无损光声成像作为一种新兴的医学影像技术在一定深度下获得足够高的分辨率和图像对比度，图像传递的信息量大，可以提供形态及功能信息，将在生物医学应用领域具有广阔的应用前景．目前光声成像技术主要集中在以下几个方面：光声显微成像、光声粘弹成像、光声内窥成像、光声分子功能成像及光声多模态联合成像技术．2.1 光声显微成像光声显微成像技术是光声成像技术的重要组成部分[21,36]，其原理图如图2所示．光声显微成像结合了纯光学成像高对比度特性和纯超声成像高穿透深度特性的优点，从原理上避开了光散射的影响，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像．与常用的纯光学高分辨显微成像技术，如激光共聚焦显微成像、双光子激发显微成像、光学干层析成像等相比，光声显微成像分辨率可达到微米甚至亚微米,成像深度达到1～2 mm，成像深度/分辨率达到100以上．光声显微镜可直接成像黑色素、血色素等人体内源性分子，无需引进外源性染料分子或者其他造影剂．2.2 光声粘弹成像生物组织的粘弹性在很大程度上依赖于组织的分子构成以及这些分子构成块在宏观、微观上的组织形式．光声粘弹成像作为一种新的成像方法，其成像原理图如图3所示[22-23]．光声粘弹成像通过检测光声激发与光声信号产生过程中的相位延迟来获取有关组织的粘弹性信息进行成像，弥补了传统的光声成像不能提供组织粘弹特性的不足．生物组织粘弹特性的研究引起医学界的广泛关注，如正常细胞比癌细胞以及药物作用的癌细胞的粘弹性系数均有明显差异.光声粘弹成像以相位作为对比度，反应的是力学特性信息；光声吸收成像以光声信号幅值作为对比度，反映的是结构形态信息.2种成像模式结合互补检测可以提高检测的准确性和完整性，具有很大的临床应用前景．2.3 光声内窥成像光声内窥成像技术将会成为光声成像技术的主要发展方向[29],将主要用于心脑血管疾病中易损斑块的早期检测与诊断以及胃肠癌诊断方面，血管内光声成像系统结构见图4．大量研究证明，易损斑块破裂是急性心脑血管事件的主要发病机制，约70%的致命性急性心肌梗塞和冠心病猝死都由其引起．易损斑块就像体内的定时炸弹，会导致健康人在毫无征兆的情况下突然死亡．因此，在易损斑块发展早期对其进行识别是心脑血管界面临的核心挑战．现有的易损斑块影像识别手段如CT、MRI及IVUS等虽然具备各自的优势，但依然无法满足对易损斑块研究的需要．光声血管内窥成像针对现有斑块组分成像方法与技术存在的缺点和不足，可有效显示斑块微细结构，定量分析胶原、脂质和纤维的相对与绝对含量，为斑块组织成分的精确识别和易损性的早期判断提供新的高特异性、敏感性和高分辨的在体检测方法．2.4 光声分子成像光声成像技术与分子标记技术结合是光声成像发展的一个新方向——光声分子成像．光声分子成像有望在活体层面实现分子水平的病理成像[25,37-38]，可使疾病的诊断水平提前至分子异常阶段，可在体内直接观察疾病的起因、发生、发展等一系列过程，并观察疾病的基因、分子水平异常变化和特征,是一种非侵入性诊断疾病的方法．光声分子成像的基本思想是将靶向分子特异性抗体或配体连接到光声造影剂表面构成具有靶向性光声探针，依靠抗原-抗体或配体-受体之间的特异性结合，使光声探针主动结合到病变组织特异分子位置，从而实现特异性光声分子成像．光声分子成像技术的关键在于构建高光-声转化效率的探针．结合分子标记技术，再对检测目标物分子实现选择性激发，显著提高目标分子和正常组织的选择性光吸收差异，提高激发效率和光声强度，从而提高光声成像的对比度和分辨率，实现高灵敏度、高选择性的光声分子成像．光声分子成像技术将为分子影像技术研究开辟一条全新的途径，可望在细胞与分子水平对病变组织的改变进行观察和分析，并得出早期诊断信息．2.5 光声与多模态联合成像光声与其他成像方法结合实现多模态联合成像，是光声成像向纵深发展的一个重要方向[39-41]．光声与多模态联合成像可同时进行结构和功能成像，为肿瘤诊断等生理、病理检测提供最佳的灵敏度和特异性．多模态成像技术将不同的成像模态集成到同一个成像系统，由于每一种成像模态(X光、超声、MRI和PET等)都有基于特定物质波和人体相互作用的规律，基于这些不同规律研制的成像技术和设备观测人体时得到的人体的信息也就不完全相同．可见，光声成像与多模态联合成像是目前生物医学成像的发展趋势．此外，光声成像反映的光吸收率，在理论上能与测量散射、荧光和偏振的光学成像技术相融合，可形成一套集组织结构和蛋白质分子功能成像于一体的活体高分辨深度层析成像系统，也有待进一步深入研究．光声断层成像清晰地探测到活体小鼠脑血管分布，根据血容量、血流、血氧等参数反映了脑功能信息(图 5)[16-17]，光声成像技术将为脑功能研究提供新的技术手段．基于光声成像反映光吸收的特性，研究者发展了多波长光声成像技术并且应用于肿瘤成像，获得高分辨率的肿瘤新生血管的形态学信息、由血氧饱和度反映的肿瘤代谢信息．光声成像技术为肿瘤的早期诊断与治疗监控提供了强大的技术支持．多波长光声成像在检测活体深层荧光蛋白表达以及基因活性方面取得令人振奋的效果，多波长内窥光声成像针对动脉粥样硬化斑块进行检测，通过光谱解析获得了动脉粥样硬化斑块组分信息，为光声内窥成像应用于心脑血管疾病检测奠定了实验基础[29](图 6)．随着光声显微镜的出现，光声成像发展到了一个新的阶段．光声显微镜将横向分辨率提高了一个数量级(达到45 μm)．利用多波长光声显微成像技术不仅可以获得高分辨率黑色素瘤的实体和周围微血管的形态结构图像(图7)，还可以得到活体动物的血氧饱和度信息．亚波长光学分辨率光声显微镜的出现将光声成像技术的分辨率提高到前所未有的高度(221 nm)．光学分辨率的光声显微镜可以轻而易举地对黑色素瘤细胞和血红细胞进行单细胞成像．光声纳米探针的发展为光声成像增添了活力．基于外源光声纳米探针，研究者们发展了光声分子成像和光声治疗．光声分子成像实现了在磁环境中对在血液中循环的肿瘤细胞进行探测以确定肿瘤细胞是否转移，最后发展成了光声流式细胞仪．光声治疗利用光声纳米探针的光声效应来选择性杀死肿瘤细胞，开创了一种选择性好、无副作用的肿瘤治疗方法．作为新一代的无损医学成像技术，光声成像可以无标记地对单个细胞成像、对血管形态的高分辨成像、对不同组织的成分进行解析和对血液参数高特异性的功能检测，实现了从细胞到组织结构的多尺度示踪及功能成像，可用于研究动物体脑功能、肿瘤细胞转移和肿瘤形态结构，生理、病理特征，血流异常、药物代谢功能、深层荧光蛋白表达、基因活性等方面的内容，并为生物医学应用领域提供了重要研究及监测手段，具有良好的发展前景和广泛的生物医学应用潜力．预测光声成像技术将会引起基础生命科学以及临床医学影像领域的变革．光声成像技术结合了光学成像高对比度特性和超声成像高穿透深度特性的优点，在生物医学中具有广阔的应用前景．目前光声成像已经显示了一个最重要的应用点：光声血管成像．光声血管成像可以应用到心脑血管疾病检测，如斑块组分的光声成像识别；脑功能成像以及肿瘤早期检测和治疗监控．在斑块组分识别方面，光声成像可望取代OCT，作为IVUS的有力补充．肿瘤早期检测方面，光声成像是乳腺X 射线照相术有益的补充，前哨淋巴腺成像将是利用光声成像检测肿瘤转移较为合适的应用对象．光声成像还能够提供大脑的结构和功能成像，而且它们是廉价的、高分辨率、实时成像系统，甚至可以做成病床边的便携式仪器．此外作为光声成像的扩展，射频诱导的热声成像是一种能够实现更高成像深度的成像模式．光声成像与分子标记技术相结合，可靶向性定位重大疾病的特征分子，将有可能实现对重大疾病的早期特异性检测，具有良好的发展前景和广泛的生物医学应用潜力．光声成像技术的发展虽然已日趋完善，但依然面临大量的难题．如:在光声显微成像方面，如何提高光声显微成像的成像速度使其更加适应临床诊断及检测，发展非接触式光声显微成像技术使其更加方便实际应用；在光声粘弹成像方面，如何提高粘弹成像的检测灵敏度及准确度，开发内窥式粘弹成像技术提供心血管疾病检测的新方法；在内窥成像方面，如何解决血管内血液对光声成像的影响问题及脉冲激光能量的控制与斑块破裂风险评估问题等等．随着技术的不断发展及研究的不断深入,这些问题都将能有所突破与改善．【相关文献】[1] WANG X, PANG Y, KU G, et al. 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各种光谱技术及其应用
各种光谱技术及其应用光谱技术是一种研究物质与光的相互作用的科学工具，它通过分析物质与光的相互作用过程中所产生的光谱信号来研究物质的性质和结构。
光谱技术在各个领域都有广泛的应用，如化学、生物学、物理学等，本文将介绍几种常见的光谱技术及其在不同领域中的应用。
1. 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)紫外-可见吸收光谱是一种常见的光谱技术，它通过测量物质对紫外或可见光的吸收能力来分析物质的特性。
UV-Vis光谱广泛应用于分析化学、环境监测、生物化学等领域。
例如，可以通过UV-Vis光谱来测定物质的浓度、了解反应过程中物质的变化、监测水体中的污染物等。
2. 红外光谱(IR)红外光谱是一种通过测量物质在红外辐射下吸收、散射或透射光的强度变化来研究物质结构和成分的技术。
红外光谱广泛应用于有机化学、药物研发、材料分析等领域。
例如，通过红外光谱可以确定有机化合物中的官能团、分析药物的含量、研究材料的结构等。
3. 核磁共振(NMR)核磁共振是一种通过测量核磁共振现象来研究物质结构和动力学的技术。
在核磁共振光谱中，物质中的原子核在外加磁场和射频场的作用下发生共振，从而产生一系列特征峰。
核磁共振在有机化学、生物化学、药物研发等领域具有重要的应用价值。
例如，核磁共振光谱可以用于识别有机化合物的结构、分析药物的纯度、研究生物大分子的结构等。
4. 荧光光谱荧光光谱是一种通过测量物质在受激发光照射下发射的荧光光强度来研究物质的性质和结构的技术。
荧光光谱广泛应用于生物学、医学、环境科学等领域。
例如，荧光光谱可以用于检测生物标记物、分析环境污染物、研究荧光染料的性质等。
5. 质谱(MS)质谱是一种通过分析物质的离子化状态和质量-电荷比来研究物质的成分和结构的技术。
质谱广泛应用于分析化学、药物研发、环境监测等领域。
例如，质谱可以用于确定有机化合物的分子结构、分析药物的代谢产物、检测环境中的有机污染物等。
6. 拉曼光谱拉曼光谱是一种通过测量物质在受激发光照射下发生拉曼散射光的强度和频率变化来研究物质的结构和成分的技术。
研究光声显微成像的原理与方法
研究光声显微成像的原理与方法光声显微成像是一种将光学和声学相结合的新型成像技术，被广泛应用于生物医学、材料科学和纳米科学等领域。
它能够实现高分辨率、无损伤的成像，为研究微观结构和功能提供了一种强有力的工具。
本文将介绍光声显微成像的原理和方法，并探讨其在不同领域的应用。
一、光声显微成像的原理光声显微成像的原理基于光声效应，即光能转化为声能的过程。
当被激发的样品吸收激光脉冲后，会发生热膨胀，产生声波信号。
通过检测和分析这些声波信号，可以重建样品的图像。
光声显微成像结合了光学的高分辨率和声学的深部成像能力，因此可以实现对生物组织和材料的高分辨率成像。
二、光声显微成像的方法1. 脉冲光源：光声显微成像常用的脉冲光源是飞秒激光器，它能提供高能量、短脉冲宽度的激光束。
这种脉冲光源可以在短时间内产生足够的热膨胀和声波信号，从而实现高分辨率的成像。
2. 光学和声学系统：经过光学透镜的聚焦，激光束被聚集在待测样品上。
样品吸收激光能量后，产生声波信号。
声波信号经过高频超声探测器接收和放大，然后被转化为电信号，并通过数据采集系统记录下来。
3. 数据处理和图像重建：采集到的声波信号需要进行数据处理和重建，以得到高质量的图像。
常用的方法有倒数滤波和延迟和和相加方法。
通过这些方法，可以有效地抑制噪声，提高图像的对比度和分辨率。
三、光声显微成像的应用1. 生物医学领域：光声显微成像在生物医学领域应用广泛。
它可以成像生物组织及其内部结构，实现对肿瘤、血管、神经等病理变化的检测和诊断。
与传统的光学成像技术相比，光声显微成像具有更高的分辨率和更深的成像深度，可以为早期癌症的检测和治疗提供有力支持。
2. 材料科学领域：光声显微成像在表面粗糙度测量、涂层检测和微纳米材料研究等方面有着重要的应用。
通过对材料的声波信号进行成像，可以获得材料的形貌、力学性能等信息，为材料科学的研究和开发提供了新的手段。
3. 纳米科学领域：光声显微成像在纳米科学领域具有潜在的应用前景。
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第１期王维江等：光声光谱技术在生物医学领域的发展与应用１２
０９比高，给信号处理带来很大方便，特别是在研究具有低温相变特性的物质时更具有意义。
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