光聲技術科普：光聲信號原理及常見顯影劑
光聲信號產生機理
光聲現象是指物體接收脈沖光后，產生聲信號的現象。正是因為信號最終以聲波形式發出被設備接收，用于激發信號的光源通常為脈沖激光，以此保證聲波持續、穩定地產生。
整個現象過程可分為三個步驟：光吸收、光熱轉換和熱聲轉換（圖1）。
圖1 光聲現象三步驟
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步驟一：光吸收。作用于目標的脈沖激光能量被目標吸收。
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步驟二：光熱轉換。被吸收的能量通過光熱轉換效應轉換為熱能，因而導致目標溫度升高。
- 步驟三：熱聲轉換。升溫的組織通過熱塑性膨脹效應（Thermoelastic expansion effect）和震動弛豫（Vibration relaxation）產生聲波，通過目標組織傳遞出去，被光聲設備接收，形成信號。
圖2 脈沖激光衰減和背景干擾
光聲常用顯影劑
光聲現象產生于特定的物質，因此為了應用于特定場景，需要使用顯影劑（或稱造影劑、對比劑）獲得光聲信號。顯影劑種類繁多，分類方法也多種多樣。下面是4種常見分類方法。
一、顯影劑來源。一些動物體內的物質本身具有光聲信號，稱為內源性顯影劑（Endogenous PA contrast agent）。常見的有血紅蛋白、肌紅蛋白、脂質、黑色素、編碼熒光蛋白等。得益于這些內源性顯影劑，科研工作者可以在保證安全、高生物兼容性的情況下獲得光聲信號。同時，也由于存在于體內多處，其特異性和信噪比均較差。與之相對的是各類外源性顯影劑（Exogenous PA contrast agent），如金屬納米材料、過渡金屬硫族化合物（Transition metal chalcogenides）、碳納米材料、石墨烯類似物（Graphene analogues）、聚合物納米材料、有機染料、有機納米顆粒等。盡管這些材料有更好的特異性和更高的信噪比，卻不得不面臨毒性大、容易光漂白等問題。因此顯影劑的開發仍有很大空間。
二、靶向性。非靶向性顯影劑通常用于血管造影、體內分布監測、藥物代謝評估等全身性成像目的。而靶向性顯影劑通常由靶向單元（Target unit）和光聲信號基團組成。常見的靶向單元有適配子（Aptamer）、抗體（Antibody）、多肽（Peptide）、小分子配體（Ligand）等。通過連接靶向單元，可使非靶向性顯影劑具有靶向性，如結合抗體的金屬納米顆粒、結合環狀三肽或葉酸的單壁碳納米管（cRGD-SWNTs、folate-SWNTs）、結合抗體的有機納米顆粒等。
三、激發波長。常見的光聲顯影劑激發波長在近紅外一區（700 – 1000 nm）。近年來，越來越多激發波長在近紅外二區（1000 – 1700 nm）的顯影劑被報道。相較于前者，近紅外二區的顯影劑光散射作用更小，能提升成像深度，同時組織吸收更少，能提升信噪比。
四、信號狀態。傳統的光聲顯影劑為常開（Always On）狀態，即不論是否在目標位置，只要有對應激光脈沖，就會產生光聲信號。這意味著可能無法真實展示目標組織的變化，且通常有強烈的背景信號，因而導致信噪比的降低。面對這一問題，近年來陸續有多種新型顯影劑出現，其最大的區別在于可激活（Activatable），通常由靶向基團和光聲信號基團組成，一旦與靶向目標結合，就會改變光聲信號的表現，達到開、關或成比例的信號表達。
在實際成像需求中，科研工作者可直接使用這些常見的顯影劑，也可根據需求自行設計、優化。
圖3 常見光聲探針總結
參考文獻
[1] Yongchao Liu, Lili Teng, Baoli Yin, Hongmin Meng, Xia Yin, Shuangyan Huan, Guosheng Song, and Xiao-Bing Zhang Chemical Reviews 2022 122 (6) , 6850-6918.
