《突破 | 高灵敏度多光谱功能光声显微镜研制获进展》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: 胡思思
  • 发布时间:2025-09-19
  • 光学分辨率光声显微镜(OR-PAM)凭借光/声共聚焦实现细胞级、无标记活体成像,但长期受制于“光源昂贵、红光信号弱、声光耦合效率低”三大问题,限制了其在更深、更快、更广谱成像中的应用。

    近日,中国科学院苏州生物医学工程技术研究所推出高灵敏度多光谱光学分辨率光声显微镜(MW-OR-PAM),以“光源—探头—对比增强”三位一体设计,针对性化解瓶颈问题:

    一、研制多波长高速切换光源。基于保偏光纤的受激拉曼散射,以一台532nm纳秒激光器扩展至532nm–620nm可调输出,用于血氧成像的波长切换<1μs,重频上限达MHz,覆盖高速活体成像需求。以通用绿光泵浦替代多台专用多谱段激光器,显著降低成本。

    二、研制高灵敏度光声探头。以P(VDF-TrFE)薄膜与光学透镜同轴布局,实现光激发/光声探测共轴,光声探头数值孔径达到?0.67,带宽98.94%,光学透过率高达90%,在保持高分辨率的同时显著提升灵敏度与频谱覆盖,兼顾对比度与定量稳定性。

    三、引入生物兼容组织透明化染料柠檬黄。在≥600nm波段实现活体可逆透明化,定向提升红光通道的信噪比与有效成像深度,补齐多光谱血氧定量的“短板”。

    团队通过大量实验,证明了MW-OR-PAM可实现高分辨率活体血管成像、血氧饱和度成像、经颅脑成像。未来,MW-OR-PAM平台有望在脑科学、肿瘤微环境、缺血再灌注、代谢与药效评估等方向,提供更深、更快、更准的多尺度功能成像能力,推动从实验室走向临床前与产业化应用。

    MW-OR-PAM原理图及活体组织可逆透明化光声成像示意图

    MW-OR-PAM无标记活体血管结构、血氧饱和度成像结果

  • 原文来源:https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-13-10-2757&id=576359
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    • 近期,清华大学核能与新能源技术研究院何向明研究员、徐宏副教授团队和浙江大学光电科学与工程学院匡翠方教授团队合作研发了一种基于金属氧化物杂化纳米颗粒的高光灵敏度光刻胶材料。合作研究团队利用光致极性变化原理研发出的光刻胶在光刻曝光时能够高效发生化学反应,并显著改变其在显影剂中的溶解性,成功将双光子光刻技术的打印制造速率提升至了米/秒级,比常规的双光子光刻适用的打印速率(通常为微米/秒到毫米/秒级)快了3-5个数量级,大幅提高了双光子光刻技术的制造效率。 双光子光刻技术是一种微纳米级增材制造打印技术,其利用光刻前后光刻胶的溶解度变化来实现精细结构的制造。双光子光刻技术利用高数值孔径的物镜对激发光束进行聚焦,使其在空间上形成亚微米级尺度的焦点。焦点处的光刻胶能够发生双光子吸收效应,进而引发化学反应,使得光刻胶的溶解度发生变化。通过控制焦点的移动路径,在显影过后就可以得到打印出的三维立体微结构。然而,常规的双光子光刻的打印速率(即双光子线性扫描速率)较慢,通常为微米/秒到毫米/秒级,在制造较大体积的微结构时需要耗费极长的时间,这成为了限制双光子光刻技术大规模实际应用的瓶颈难题。要使双光子光刻技术能够成为现实可行的大规模微结构制造技术,在保持微纳米级打印精度的同时,打印制造速率需要提升几个数量级。 为了解决双光子光刻技术打印速率慢的难题,研究团队利用光致极性变化原理研发了一种基于金属氧化物杂化纳米颗粒的高光灵敏度双光子光刻胶材料。与传统的聚合物基光刻胶不同,该光刻胶的成膜树脂是氧化锆杂化纳米颗粒,其由氧化锆内核和甲基丙烯酸配体外壳组成。2,4-双(三氯甲基)-6-对甲氧基苯乙烯基-1,3,5-三嗪(BTMST)作为该光刻胶体系的光敏剂,光刻曝光时引发氧化锆杂化纳米颗粒的化学反应。为了实现高速双光子光刻,研究团队自主搭建了一台配备了转镜扫描系统的双光子光刻设备。利用该台双光子光刻设备,氧化锆杂化光刻胶能够适配7.77 m/s的双光子打印速率,比传统的聚合物基光刻胶的适用打印速率快了3-5个数量级。此外,氧化锆杂化光刻胶还具有微纳米级的打印精度,曝光线条的线宽能够小至38 nm。研究团队进一步研究发现,氧化锆杂化光刻胶的高光灵敏度是由氧化锆杂化纳米颗粒的高效光致极性变化引起的。 氧化锆杂化光刻胶由光敏剂BTMST、氧化锆杂化纳米颗粒和溶剂丙二醇单甲醚乙酸酯组成。氧化锆杂化纳米颗粒具有约46 wt%的无机含量,并且含有许多易带电荷的Zr(IV)和O原子;然而,表面配体外壳能够对无机内核进行有效的电荷屏蔽,使得氧化锆杂化纳米颗粒的整体外表面呈现中性。中性的外表面使得氧化锆杂化纳米颗粒在有机溶剂中具有很高的溶解度。通过旋涂/软烘法将氧化锆杂化光刻胶在玻璃基片上制成光刻胶膜,并使用油浸式双光子光刻模式对光刻胶膜进行打印曝光(图1)。 图1. 双光子光刻系统及其打印速率挑战示意图。 研究团队自主搭建了一台配备了转镜扫描系统的双光子光刻设备(780 nm飞秒光源),该台设备能够实现米/秒级的双光子光刻打印。利用该台光刻设备,氧化锆杂化光刻胶能够适配7.77 m/s的双光子打印速率,打印线条的线宽为172 nm。米/秒级的双光子打印速率比传统的聚合物基光刻胶(微米/秒到毫米/秒级)快了3-5个数量级。利用氧化锆杂化光刻胶,研究团队在米/秒级的双光子打印速率下刻写了一些2D和3D的结构图形,例如1 cm2面积的正方形光栅图形和~1 mm3体积的3D微透镜阵列图形(图2)。 图2. 氧化锆杂化光刻胶在配备了转镜扫描系统的双光子光刻设备(780 nm飞秒光源)下的双光子光刻性能。 研究团队还自主搭建了一台配备了振镜扫描系统的双光子光刻设备(532 nm飞秒光源)。利用该台光刻设备,氧化锆杂化光刻胶能够打印出38 nm线条线宽的图形;光刻图形的最小可分辨间距能够达到150 nm。此外,研究团队还打印了一些复杂的3D微结构,例如空心的富勒烯结构和超材料立方体结构等(图3)。 图3. 氧化锆杂化光刻胶在配备了振镜扫描系统的双光子光刻设备(532 nm飞秒光源)下的双光子光刻性能。 研究团队利用DFT-COSMO方法对光刻胶组分结构的电荷密度分布进行了模拟预测(图4)。曝光前,氧化锆杂化纳米颗粒以及纳米颗粒的聚集体的表面电荷呈现中性;然而,曝光后,氧化锆杂化纳米颗粒阳离子以及纳米颗粒阳离子的聚集体的表面带有明显的正电荷。研究团队根据模拟计算和光谱实验的结果,提出了该光刻胶可能的成像机理:光敏剂BTMST通过双光子吸收发生异裂,生成了活性阳离子。光敏剂活性阳离子进而诱导氧化锆杂化纳米颗粒的外层配体壳发生解离,外层配体壳受到破坏后生成了氧化锆杂化纳米颗粒阳离子。破坏纳米颗粒的外层电荷屏蔽壳会使得纳米颗粒之间产生强相互作用力,导致纳米颗粒发生聚集。氧化锆杂化纳米颗粒阳离子及其聚集体的分子极性与原始的氧化锆杂化纳米颗粒的分子极性相差很大,这种高效的光致极性变化极大地改变了纳米颗粒在显影剂中的溶解性,从而实现了高速双光子光刻。 图4. 利用DFT-COSMO方法计算模拟光刻胶组分结构的表面电荷密度分布情况 研究团队研发了一种可实现高速双光子光刻的高光灵敏度氧化锆杂化光刻胶,以解决双光子光刻技术打印速率慢的难题。氧化锆杂化纳米颗粒的高效光致极性变化使得曝光后的光刻胶在显影剂中的溶解性发生了明显改变。为了体现氧化锆杂化光刻胶高光灵敏度的优势,研究团队自主搭建了一台配备了转镜扫描系统的双光子光刻设备,并利用氧化锆杂化光刻胶实现了7.77 m/s的双光子光刻打印速率。在打印精度方面,研究团队通过优化双光子曝光-显影工艺,获得了线宽为38 nm的光刻图形。该项工作研发的高光灵敏度光刻胶材料能够显著提高双光子光刻技术的打印速率,并大幅缩短双光子光刻制造所需的时间,有望推动双光子光刻技术在微纳增材制造领域的大规模实际应用。
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    • 近日,中国科学院深圳先进技术研究院生物医学光学与分子影像中心刘成波、郑炜团队合作,在生物医学光学领域旗舰期刊Biomedical Optics Express发表了题为“Video-rate high-resolution single-pixel nonscanning photoacoustic microscopy”的研究论文,报道了一种基于单像素非扫描方式的高速光声显微成像技术,在国际上率先实现了30帧/秒的三维动态光声显微成像,达到同类技术最快的成像速度。该论文被期刊遴选为编辑推荐(Editor's Pick)亮点文章。助理研究员陈宁波、余佳、刘良检为论文共同第一作者,刘成波研究员、郑炜研究员为论文共同通讯作者。 光声显微成像具备高分辨、三维无标记成像等优势,被广泛用于活体生物组织结构和功能成像。传统光声显微成像技术主要依靠逐点扫描进行三维图像采集,受限于步进电机、光学振镜等扫描器件的扫描速度局限,传统光声显微技术的成像速度远低于视频帧率(30 Hz),难以满足生物体快速生理活动监测的需求。 针对该问题,研究团队提出了一种基于单像素成像技术的高速非扫描光声显微成像(SPN-PAM)。该技术利用高速数字微镜(DMD)实现成像区域的结构光场照明,通过快速调制结构光场的傅里叶照明条纹,获取图像的变换域频谱信息,采用傅里叶频谱逆变换即可完成图像快速重建。 图1 (a)SPN-PAM成像系统图;(b)SPN-PAM图像重建原理。 SPN-PAM技术无需逐点扫描成像,克服了扫描器件对成像速度的限制,此外,该技术能够充分利用图像在变换域独特的频谱稀疏特征,对频谱信息进行大幅压缩采样。活体成像结果表明,在4.86%的超低采样率下,该方法仍能够保持良好的图像分辨率和信噪比,同时成像速度得到大幅提升。基于此,研究团队首次实现了视频帧率(≥30 Hz)的高分辨光声显微成像。 图2 管网络SPN-PAM压缩成像结果 凭借高时间和空间分辨率优势,SPN-PAM实现了小动物活体水平,对微血管尺度血流再灌注过程的动态监测,观察到了血流量和流速的瞬时变化,为血流动力学和组织代谢研究提供了一种潜在的有效手段。与此同时,SPN-PAM压缩成像还能够有效降低高速光声显微成像需要的激光剂量,提升成像安全性,为该技术进一步临床转化提供了可能。