斜向光热显微镜（Oblique Photothermal Microscopy, OPTM）实现活体红外光谱成像的超高灵敏度研究

一、研究团队与发表信息
本研究由来自波士顿大学（Boston University）的Mingsheng Li（第一作者）、Sheng Xiao、Hongli Ni、Guangrui Ding、Yuhao Yuan、Carolyn Marar、Jerome Mertz及通讯作者Ji-Xin Cheng共同完成，发表于*Nature Communications*期刊（2025年，第16卷，文章编号6065）。研究团队来自电气与计算机工程系、光子学中心及生物医学工程系，学科交叉特色显著。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于生物医学光学成像领域，聚焦于红外（Infrared, IR）振动光谱技术的活体应用。

研究背景：传统红外光谱技术在活体成像中存在两大瓶颈：
1. 反射模式灵敏度低：活体组织中红外光子易被吸收或散射，导致信号衰减；
2. 空间分辨率受限：红外波长较长，衍射极限导致微米级分辨率难以实现。尽管光热显微技术（Photothermal Microscopy, PTM）通过可见光探测红外吸收引起的热效应提升了分辨率，但传统共聚焦光热显微镜（如MIP）因依赖虹膜过滤散射光子，活体成像灵敏度仍不足。

研究目标：开发一种斜向光热显微镜（OPTM），通过新型光子收集策略和平衡检测技术，实现活体组织的超高灵敏度、亚微米级红外光谱成像，并应用于皮肤代谢标记物和局部药物递送的动态监测。

三、实验流程与技术细节
1. OPTM系统设计与原理创新
- 光学架构：
- 泵浦-探测光路：脉冲量子级联激光器（QCL，900–2300 cm⁻¹）作为红外泵浦源，532 nm连续激光作为可见探测光，通过二向色镜共轴耦合。
- 扫描单元：采用二维振镜和反射式中继 optics（凹面镜组合）消除色差，反射物镜（NA=0.5）聚焦样品。
- 核心创新：
- 斜向检测器：在样品表面放置差分分裂探测器（Split Detector），直接收集反向散射光子，替代传统虹膜过滤。蒙特卡洛模拟表明，该设计光子收集效率提升500倍（39% vs. 0.1%）。
- 平衡降噪：通过分裂探测器两路信号的差分运算，抑制激光强度噪声12倍，信噪比（SNR）提升13倍（图1e-f）。

1. 验证实验与性能测试

   • 模型样本：将10 μm聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微粒嵌入含1%脂肪乳的PDMS散射介质中，模拟活体组织环境。
     
   • 信号处理：
     
     • 直流（DC）信号：提取相位梯度（折射率变化dn/dx）和吸收信息（图3a-c）。
       
     • 交流（AC）信号：锁相放大器解调光热信号，生成光热相位梯度（Photothermal Phase Gradient, PTPG）图像（图3d-f）。结果显示，PTPG图像SNR达417，较传统求和图像（SNR=31）显著提升。
       

2. 活体应用研究

   • 小鼠皮肤成像：
     
     • 代谢标记物：在50 μm深度区分脂肪细胞中的游离脂肪酸（1704 cm⁻¹）和脂质酯（1742 cm⁻¹），光谱峰与FTIR结果一致（图4）。
       
     • 深度分辨成像：从角质层（10 μm）至真皮层（100 μm），清晰显示皮脂腺分布（图5）。
       
   • 药物递送追踪：
     
     • 过氧化苯甲酰（BPO）：通过Lasso算法（最小绝对收缩选择算子）光谱解混，定量分析药物在毛囊中的渗透效率（图6）。发现BPO主要通过毛囊开口（效率<30%）和汗孔递送，且未到达皮脂腺（图6g）。
       
   • 人体皮肤实验：在志愿者前臂实现无创成像，验证OPTM的临床适用性（图7）。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 技术验证阶段：PMMA微粒实验证实OPTM在散射介质中的超高灵敏度（图3），为活体研究奠定基础。
2. 代谢成像：小鼠皮肤数据揭示脂质亚型空间分布差异（图4），说明OPTM可解析复杂生物化学组成。
3. 药物动力学：深度分辨成像结合Lasso算法，首次可视化BPO的跨皮肤途径（图6e-f），为透皮给药优化提供依据。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 提出斜向检测新范式，突破传统光热技术的灵敏度限制。
- 首次实现活体深度分辨红外光谱成像，空间分辨率达亚微米级。
2. 应用价值：
- 临床诊断：无创监测皮肤代谢标志物，助力痤疮、癌症等疾病研究。
- 药物开发：为透皮制剂递送效率的定量评估提供新工具。

六、研究亮点
1. 方法创新：
- 斜向检测器设计将光子收集效率提升500倍。
- 平衡检测技术抑制激光噪声12倍。
2. 应用突破：
- 首次实现活体皮肤三维化学成像（视频速率补充材料）。
- 揭示BPO药物递送路径争议（未到达皮脂腺）。

七、其他价值
- 开源Lasso算法代码（GitHub），促进光谱解混技术推广。
- 蒙特卡洛模拟与硬件设计（PCB电路板，图2c-d）为后续技术迭代提供模板。

本研究通过多学科交叉（光学工程、生物医学、算法开发），为活体分子成像树立了新标杆，未来可拓展至其他振动光谱窗口（如短波红外）或肿瘤微环境研究。