技術突破：空間偏移成像技術實現可視化光聲光熱波傳播
在生物醫學成像領域，光聲與光熱效應作為非輻射弛豫過程的重要表現形式，長期以來因檢測技術的局限難以實現高分辨率動態觀測。傳統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散過程。波士頓大學研究團隊于2025年7月在《Science Advances》上發表的論文《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。論文系統驗證了SOPPI在纖維發射器聲場映射、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斷層掃描等場景的卓越性能，為光學-聲學多模態成像技術開辟了新維度。
重要發現
01SOPPI技術原理與性能突破
SOPPI的核心創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）激發樣品產生非輻射弛豫，引發局部溫度升高與壓力波動；探測光（1310納米連續激光）則通過檢測折射率變化捕捉光熱與光聲信號。這種設計使探測區域不再局限于吸收點，而是擴展至聲波傳播路徑，從而實現對遠場與近場動力學的同步監測。
系統性能量化數據顯示，SOPPI的空間分辨率達6.1微米，接近光學衍射極限；時間分辨率由180兆赫茲采樣率支撐，可解析5.56納秒級動態過程。與傳統水聽器對比實驗中，SOPPI的噪聲等效壓力低至9.9帕斯卡，靈敏度提升兩個數量級，且對血紅蛋白的檢測限達3.4微摩爾，為活體微量生物分子監測奠定基礎。
02光聲-光熱場演化可視化實驗通過纖維發射器模型，SOPPI成功分離了高頻光聲信號與低頻光熱信號。實驗顯示，光聲波以兆赫茲頻率傳播，而光熱場則局限于吸收體周邊，持續時間可達數十微秒。頻率分解進一步揭示高頻分量（>10兆赫茲）的定向傳播特性與低頻分量（<10兆赫茲）的各向同性擴散規律，這一發現對優化超聲聚焦治療具有指導意義。
在生物組織實驗中，SOPPI清晰呈現了超聲波穿透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生顯著反射與波形畸變，SOPPI精準映射了邊界效應，為顱腦超聲治療設備設計提供了實測依據。
03近場物理現象與物質特性表征利用錐形光纖激發水吸收效應，SOPPI捕捉到波長依賴性光聲生成規律。在1448納米與1928納米吸收峰處，光聲振幅與水的本征吸收譜高度一致，且1928納米處因吸收體積更小導致帶寬增加。實驗還觀察到倏逝波吸收誘導的側向聲波發射、反向傳播聲馬赫錐等近場現象，彰顯了SOPPI在微納尺度聲-熱耦合研究中的獨特優勢。
04虛擬傳感器陣列推動成像革新
SOPPI可編程為高密度虛擬傳感器陣列，應用于光聲計算機斷層掃描。以斑馬魚幼蟲為例，內源性色素產生的光聲信號通過延遲求和算法重建后，眼睛、卵黃囊等結構以26微米分辨率清晰呈現。相比傳統 transducer陣列，SOPPI-PACT憑借全角度探測與10微米級元素間距，將交叉峰值信噪比從17.23提升至27.99，顯著增強了對弱吸收目標的成像能力。
創新與亮點
01突破成像技術瓶頸
SOPPI解決了傳統光聲-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聲波到千赫茲級熱擴散的全頻段信號；其二，通過光學探測實現角度無關的聲場采集，克服了壓電傳感器指向性限制；其三，借助折射率變化監測機制，靈敏度較水聽器提升百倍，且可穿透固體樣品實現原位測量。
在神經科學領域，SOPPI能夠可視化超聲波與腦組織的相互作用，為無創神經調控技術提供優化依據。在腫瘤治療方面，其高精度溫度場映射能力可指導光熱療法的劑量控制。此外，基于內源性色素或水分子的成像能力，使得SOPPI在皮膚癌早期診斷、血管網絡重建等場景展現出潛力。
03技術通用性拓展
SOPPI的開放式光路設計支持多種泵浦波長切換，可適配不同吸收特性的生物分子。結合錐形光纖等微納器件，還能用于材料黏彈性、熱導率等物理參數表征，為生物材料開發與藥物遞送系統優化提供新工具。
總結與展望
SOPPI技術通過光學精度與非侵入式探測的融合，重新定義了光聲-光熱動力學研究的邊界。其高時空分辨率與靈敏度不僅為生物醫學成像提供了新范式，更在材料科學、微流控器件表征等領域開辟了應用空間。未來，通過集成高重復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，推動活體動態監測技術的實用化。隨著計算算法的進一步優化，SOPPI或將成為繼共聚焦顯微鏡之后，又一顛覆性光學檢測平臺，為精準醫療與基礎科學研究注入持續動能。
聲明：本文僅用作學術目的。
Chen G, Yuan Y, Ni H, Ding G, Li M, Zhu Y, Li D, Zeng H, He H, Guo Z, Cheng JX, Yang C. Spatial-offset pump-probe imaging of nonradiative dynamics at optical resolution. Sci Adv. 2025 Jul 4;11(27):eadw4939.
DOI:10.1126/sciadv.adw4939.
