技術(shù)突破：空間偏移成像技術(shù)實現(xiàn)可視化光聲光熱波傳播

在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，光聲與光熱效應(yīng)作為非輻射弛豫過程的重要表現(xiàn)形式，長期以來因檢測技術(shù)的局限難以實現(xiàn)高分辨率動態(tài)觀測。傳統(tǒng)超聲傳感器與熱像儀受限于帶寬、空間分辨率及穿透深度，無法同時捕捉微秒級壓力波與熱擴(kuò)散過程。波士頓大學(xué)研究團(tuán)隊于2025年7月在《Science Advances》上發(fā)表的論文《Spatial-offset pump-probe imaging of nonradiative dynamics at optical resolution》，提出了一種突破性解決方案——空間偏移泵浦-探測成像（SOPPI）。該技術(shù)通過分離泵浦光與探測光的光路，以6.1微米空間分辨率、5.56納秒時間分辨率及9.9帕斯卡噪聲等效壓力靈敏度，首次實現(xiàn)了對光聲/光熱波生成、傳播與組織相互作用的全程可視化。

本研究由Guo Chen、Yuhao Yuan、Hongli Ni、Guangrui Ding、Mingsheng Li、Yifan Zhu、Deming Li、Hongru Zeng、Hongjian He、Zhongyue Guo、Ji-Xin Cheng與Chen Yang合作完成。論文系統(tǒng)驗證了SOPPI在纖維發(fā)射器聲場映射、水吸收波長依賴性分析、生物組織穿透成像及斑馬魚光聲計算機(jī)斷層掃描等場景的卓越性能，為光學(xué)-聲學(xué)多模態(tài)成像技術(shù)開辟了新維度。

重要發(fā)現(xiàn)
01SOPPI技術(shù)原理與性能突破
SOPPI的核心創(chuàng)新在于將泵浦光束與探測光束空間偏移布置。泵浦光（如1064納米脈沖激光）激發(fā)樣品產(chǎn)生非輻射弛豫，引發(fā)局部溫度升高與壓力波動；探測光（1310納米連續(xù)激光）則通過檢測折射率變化捕捉光熱與光聲信號。這種設(shè)計使探測區(qū)域不再局限于吸收點，而是擴(kuò)展至聲波傳播路徑，從而實現(xiàn)對遠(yuǎn)場與近場動力學(xué)的同步監(jiān)測。

系統(tǒng)性能量化數(shù)據(jù)顯示，SOPPI的空間分辨率達(dá)6.1微米，接近光學(xué)衍射極限；時間分辨率由180兆赫茲采樣率支撐，可解析5.56納秒級動態(tài)過程。與傳統(tǒng)水聽器對比實驗中，SOPPI的噪聲等效壓力低至9.9帕斯卡，靈敏度提升兩個數(shù)量級，且對血紅蛋白的檢測限達(dá)3.4微摩爾，為活體微量生物分子監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

在生物組織實驗中，SOPPI清晰呈現(xiàn)了超聲波穿透500微米厚小鼠腦切片的過程。通過AC/DC信號歸一化處理，定量分析表明腦組織與磷酸鹽緩沖液界面聲阻抗匹配良好，波衰減可忽略。而在顱骨樣本中，超聲波因高阻抗差產(chǎn)生顯著反射與波形畸變，SOPPI精準(zhǔn)映射了邊界效應(yīng)，為顱腦超聲治療設(shè)備設(shè)計提供了實測依據(jù)。

創(chuàng)新與亮點
01突破成像技術(shù)瓶頸
SOPPI解決了傳統(tǒng)光聲-光熱檢測的三大痛點：其一，將超聲檢測帶寬提升至65兆赫茲，覆蓋從兆赫茲級瞬態(tài)聲波到千赫茲級熱擴(kuò)散的全頻段信號；其二，通過光學(xué)探測實現(xiàn)角度無關(guān)的聲場采集，克服了壓電傳感器指向性限制；其三，借助折射率變化監(jiān)測機(jī)制，靈敏度較水聽器提升百倍，且可穿透固體樣品實現(xiàn)原位測量。

總結(jié)與展望
SOPPI技術(shù)通過光學(xué)精度與非侵入式探測的融合，重新定義了光聲-光熱動力學(xué)研究的邊界。其高時空分辨率與靈敏度不僅為生物醫(yī)學(xué)成像提供了新范式，更在材料科學(xué)、微流控器件表征等領(lǐng)域開辟了應(yīng)用空間。未來，通過集成高重復(fù)頻率泵浦激光與雪崩光電探測器，有望將成像速度提升百倍，推動活體動態(tài)監(jiān)測技術(shù)的實用化。隨著計算算法的進(jìn)一步優(yōu)化，SOPPI或?qū)⒊蔀槔^共聚焦顯微鏡之后，又一顛覆性光學(xué)檢測平臺，為精準(zhǔn)醫(yī)療與基礎(chǔ)科學(xué)研究注入持續(xù)動能。

DOI:10.1126/sciadv.adw4939.