2.3 光声光谱及成像技术
光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy，PAS）是一种典型的间接激光吸收光谱技术，也是痕量气体传感领域内十分重要的探测技术。当被调制的激光与气体分子相互作用时，光能会转化为热能，造成气体周期性伸缩，从而使得气体分子的信息会以声波的形式被检测到，光声信号的大小与气体吸光度成正比，满足线性关系。这种方法可以避免光背景的干扰，具有大幅提升气体检测灵敏度的潜力，且摆脱了对光电探测器的依赖，兼具结构简单、系统体积小等特点，此技术最明显的优势是光声信号与激光激发功率呈正比，因此可以通过增强激光的激发功率来提升传感器的灵敏度。近些年随着半导体激光器、光学参数振荡器和QCL等技术的不断发展，为PAS提供了性能优异的激励源，同时在声探测器和声谐振腔等技术方面也有较大的提升，使PAS技术得到较快发展［39-41］。
痕量级杂质气体，如烃类、H2O、CO、CO2、NOx、N2、H2S等，会对高纯氦、高纯氢、高纯氮、其他高纯气体、标准气体以及烯烃类气体的生产带来危害，损坏设备和影响生产质量，甚至对使用这些气体的设备带来致命威胁。芬兰Gasera公司基于PAS技术研发了系列商品化气体分析仪，其中GASERA-F10型痕量级多组分气体分析仪可分析10－6微量级、10－9超微量级杂质气体，用于生产过程气体、温室气体、燃料电池（Fuel Cell）等领域。
基于光声效应的石英增强光声光谱（Quartz Enhanced Photo-acoustic Spectroscopy，QEPAS）技术自2002年被提出以来，在近十几年来发展十分迅速。石英音叉是由压电材料石英制成的四极振子，通常被用来作为时钟、手表以及电路中的频率基准，具有损耗低、体积小、成本低的优点。而且探测灵敏度高，一般可以达到10－9～10－12量级，能够满足痕量气体监测的要求。我国在PAS技术方面开展了深入的研究工作，例如中国科学院安徽光学精密仪器研究所刘锟等在小型化石英音叉光声光谱、多通道光声光谱、悬臂式薄膜光声光谱等光声光谱新技术研发方面做了不少的创新性研究工作。
哈尔滨工业大学马欲飞等采用高功率DFB-QCL构建了QEPAS传感器，该QCL输出波长为4.61μm，输出功率高达1W，可覆盖CO气体分子基频吸收带中的特征谱线。通过对激光波长调制深度和气体压强等参量的优化，可获得最小检测极限为1.5×10－9，具有200cm－1左右的宽调谐特性，还覆盖了N2O分子的特征吸收谱线，因而还能对N2O分子进行分析［42］。
马欲飞等在QEPAS技术方面还利用3D打印技术制造了一个体积为29mm×15mm×8mm的声波探测模块，采用直径为1.8mm的光纤耦合输出的梯度折射率透镜（Grin透镜）进行激光的聚焦，在整个传感器系统中，光纤、Grin透镜、石英音叉、声耦合器都集成在3D打印的声波探测模块中，声波探测模块的质量仅为5g［43］。我国在利用PAS技术在线监测变压器油中溶解气体、SF6气体绝缘设备中微量特征分解组分的检测等方面也做了大量工作，PAS技术具有测量精度高、检测时间短、长期稳定性好、多种气体同时在线监测、显著减少维护成本等特点［44，45］。
生物组织对于紫外、近红外和中红外波段的光波均是强散射媒质，光波在其中传播的平均自由程仅约为1mm，超出这个极限以后，光散射将干扰光波的传播路径，致使其无法有效聚焦。由于这一限制，光学成像方法通常只能应用于浅层成像，当成像深度超过1mm以后，光学成像的空间分辨率会严重下降，大约仅为成像深度的1/3。因此，传统的光学成像方法难以实现对深层组织非浸入原位成像。声学检测方法可以有效地获取深层组织的高空间分辨率图像，因为在相同的传播距离下，声波的散射强度要比光波小2～3个数量级，故相比于光波，声波可以在生物组织尤其是软组织中低散射地较长距离传播。因此，在对深层组织进行成像时，声学方法可以获得较好的空间分辨率，分辨率约为成像深度的1/200。
光声成像（Photoacoustic Imaging，PAI）是基于光声效应的一种复合成像技术，它有效地综合了声学方法对深层组织成像分辨率高的优点以及光学成像在获取组织化学分子信息方面的优势。当激光照射物质时，被照射区域及临近区域会吸收电磁波能量并将其转换为热能，进而由于热胀冷缩而产生应力或压力的变换，激发并传播声波，称为光声信号。其强度和相位不仅取决于光源，更取决于被照射物质的光吸收系数的空间分布，以及被照射物质的光学、热学、弹性等特性。PAI正是通过检测光声效应产生的光声信号，从而反演成像区域内部物质的光学特性，重构出光照射区域内部的图像。通过选择合适的成像模式和选用不同频率的超声换能器，PAI可以提供微米甚至纳米量级的空间分辨率，同时获得毫米到几十毫米量级的成像深度。PAI技术十几年的发展显示了它能对生物组织内一定深度病灶组织的结构和生物化学信息高分辨率、高对比度成像，而其他技术则暂不具有这样的功能［46］。目前，PAI技术已是生物组织无损检测领域里备受关注的研究方向之一，国际上众多研究学者将重心转移至这一研究方向。
PAI有两种具体的实现方案：一种是光声断层成像（Photoacoustic Tomography，PAT），另一种是光声显微镜（Photoacoustic Microscopy，PAM）。PAT系统使用非聚焦激光照射成像样品来产生光声信号，并利用非聚焦或线聚焦换能器接收光声信号，随后通过求解光声传播逆问题来重构光声图像。PAT的图像重构依赖于特定的图像重构算法，其成像的空间分辨率和成像深度取决于超声换能器的工作频率。PAM通常使用扫描的方式获得，而不需要复杂的重建算法。扫描的方式主要有两种：第一种是通过扫描一个聚焦的超声探测器以获取光声图像，这种方式被称为超声分辨率光声显微镜，它通过超声来进行定位，分辨率决定于超声换能器的带宽以及中心频率，分辨率能等达到15～100μm，由于利用超声进行定位，因此这种显微镜的成像深度能达到30mm；第二种扫描方式是采用会聚的激光束进行扫描，通过这样的方式能达到光学分辨率的PAI，它的分辨率取决于会聚激光束的衍射极限，因此它也被称为光学分辨率光声显微镜，由于这种方法通过光来定位，由于组织的散射的影响，它的穿透深度不如超声分辨率光声显微镜。
PAI技术是一种新兴的、无损的光学技术与超声技术相结合的检测技术，无论是在理论研究还是在临床应用方面都将拥有广阔的前景。随着激光技术及超声探测技术的发展，PAI在生物医学和材料科学等领域的应用越来越得到关注，并成功地解决以往传统光学方法难以解决的一些问题。近年来，不少科学家研究了生物大分子、酶类、细胞、微生物、器官与组织、血液的光声光谱图，通过对动物和人体组织及血液的研究，找出组织病理和疾病之间的内在联系，为恶性肿瘤、心血管疾病、微循环异常等疾病的成像诊断和治疗引导提供有价值的临床工具。
我国科研人员在这一领域做出了很大的贡献，例如华南师范大学生物光子学研究院邢达教授团队建立了基于二维扫描振镜的共焦光声显微成像系统，能够高分辨地成像多种癌细胞、黑素细胞、红细胞、神经细胞等，并建立起基于中空超声聚焦探测器的光声显微镜，实现了多尺度的光声显微成像。唐志列教授课题组建立了基于光声微腔的显微成像系统，获得了高分辨率的光声显微图像。中国科学院深圳先进技术研究院宋亮研究员课题组利用压缩感知技术提高了光声显微成像的成像速度，并通过改进光声显微成像系统的扫描装置实现了亚波长分辨率的PAI。华中科技大学骆清铭教授团队构建了基于反射式显微物镜的光声显微成像系统，改善了成像分辨率及成像深度［47］。
每种光谱成像技术都不能对生物组织做出完整的描述，由于PAI结合了组织纯光学成像和组织纯超声成像的优点，组织对超声的衰减和散射远小于组织对光的衰减和散射。用宽带超声探测器检测超声波代替光学成像中检测散射光子，再结合病变组织和正常组织的光学吸收差异，PAI可以产生高对比度、高分辨率的组织影像。因此，PAI是能提供组织成分和功能信息的新成像技术，它不仅灵敏，可以对较深层的组织进行实时、快速、安全的成像，而且可以利用光声光热造影剂实施非侵入的光热靶向治疗。因此，与PAI相结合的多模态分子成像是实现精准诊疗的重要技术途径。目前，多模态成像技术引导的诊疗一体化体系因其可以提供肿瘤在位置、尺寸、形状方面丰富的信息，从而可以指导有效治疗而引起人们的广泛关注［48］。
中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张智军课题组与苏州大学陈华兵教授团队以及厦门大学任斌课题组等合作，构建了具有高粗糙度的γ-Fe2O3@Au纳米花结构，有效增强了肿瘤拉曼成像信号，并同时提高了磁共振和PAI效应，实现了高精度、高空间分辨率以及高灵敏度的磁共振（MR）/光声（PA）/表面增强拉曼散射（SERS）三模态协同成像：通过磁共振成像技术可以获得肿瘤的位置和轮廓的信息；通过PAI可以对肿瘤进行深层次的定位，同时获得解剖学的信息；通过高灵敏度SERS成像可以对肿瘤边界进行精确定位，从而指导肿瘤切除手术。在此基础上，研究人员进一步利用这种金磁复合纳米材料的近红外光热效应，实现了肿瘤的光热治疗（图2-11）［49］。
图2-11 基于γ-Fe2O3@Au核壳型复合纳米结构的诊疗一体化纳米平台示意图