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2025-01-21 09:37:28聲光熱: “聲光熱”這一術(shù)語并非特指某一具體儀器或技術(shù)，而是涵蓋了聲學(xué)、光學(xué)和熱力學(xué)三個物理學(xué)領(lǐng)域的簡稱。聲學(xué)研究聲音的產(chǎn)生、傳播、接收和處理；光學(xué)則關(guān)注光的性質(zhì)、行為以及與物質(zhì)相互作用；熱力學(xué)則探討熱量、溫度、能量轉(zhuǎn)換等熱現(xiàn)象。在科研和工業(yè)生產(chǎn)中，這三個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如聲學(xué)傳感器用于聲音檢測，光學(xué)儀器用于精密測量，熱力學(xué)設(shè)備則用于能量轉(zhuǎn)換與控制。雖然“聲光熱”各自獨立，但在某些交叉領(lǐng)域，它們的研究和應(yīng)用也會相互融合。

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聲光熱問答

2025-02-17 14:30:16多光譜光聲斷層掃描成像原理是什么？: 多光譜光聲斷層掃描成像：開創(chuàng)醫(yī)學(xué)影像的新篇章多光譜光聲斷層掃描成像（MSPAT）是一項革命性的成像技術(shù)，結(jié)合了光學(xué)和超聲波的優(yōu)勢，能夠提供高分辨率的圖像，且具有較高的深度穿透能力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，MSPAT在醫(yī)學(xué)成像、癌癥檢測、腦部研究等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛力。本篇文章將深入探討多光譜光聲斷層掃描成像的原理、優(yōu)勢及其在臨床診斷中的應(yīng)用。光聲效應(yīng)與成像原理多光譜光聲斷層掃描成像的核心原理是基于光聲效應(yīng)。當(dāng)激光光源照射到組織中時，組織中的水分和血紅蛋白會吸收特定波長的光，導(dǎo)致局部溫度升高并產(chǎn)生快速的熱膨脹。這個過程會激發(fā)聲波的產(chǎn)生，聲波的強度和頻率可以通過超聲探頭進(jìn)行探測，從而反映出組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分。多光譜光聲斷層掃描成像之所以能稱為“多光譜”，是因為它使用了不同波長的激光源，從而可以獲得組織的不同光學(xué)特性。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于，它能夠獲取更豐富的組織信息，識別不同的組織成分，如血管、腫瘤以及其他病變區(qū)域。多光譜光聲斷層掃描成像的優(yōu)勢相比傳統(tǒng)的成像技術(shù)，如CT（計算機(jī)斷層掃描）和MRI（磁共振成像），多光譜光聲斷層掃描成像具有獨特的優(yōu)勢。MSPAT能夠以較高的分辨率提供結(jié)構(gòu)性圖像，這在微小病變的早期發(fā)現(xiàn)上至關(guān)重要。尤其是在腫瘤檢測方面，MSPAT能有效區(qū)分腫瘤組織和健康組織，有助于提高腫瘤早期篩查的準(zhǔn)確性。 MSPAT能夠在不使用放射線的情況下，獲得豐富的血管信息。傳統(tǒng)的成像技術(shù)需要注射對比劑來突出血管的顯現(xiàn)，而MSPAT則通過不同波長的激光照射，可以無創(chuàng)性地提供關(guān)于血管的詳細(xì)信息，且能夠深入體內(nèi)組織層次，幫助醫(yī)生更好地評估腫瘤的血供狀況或病變的演變過程。臨床應(yīng)用前景在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，MSPAT已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，尤其在腫瘤檢測和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷中。通過對腫瘤組織的精確成像，醫(yī)生可以更加準(zhǔn)確地評估腫瘤的大小、位置以及血供情況，從而為方案的制定提供重要依據(jù)。MSPAT也在腦血管病變、腦部腫瘤等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究中，幫助醫(yī)生獲取更加直觀的病變圖像，輔助早期診斷和治果評估。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，MSPAT的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)展。尤其是與人工智能結(jié)合的進(jìn)展，MSPAT的圖像分析將更加，能夠幫助醫(yī)生在極短的時間內(nèi)做出更加科學(xué)的診斷決策，極大地提高醫(yī)率和診斷準(zhǔn)確率。結(jié)論多光譜光聲斷層掃描成像作為一項創(chuàng)新的成像技術(shù)，憑借其高分辨率、無創(chuàng)性和多波長成像的優(yōu)勢，正在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中占據(jù)越來越重要的地位。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，MSPAT將在腫瘤篩查、腦部疾病診斷等方面展現(xiàn)出更加廣泛的應(yīng)用潛力，并有望成為未來醫(yī)學(xué)影像的主流技術(shù)之一。

2023-01-04 12:28:49【新方法】光熱聯(lián)合兩步連續(xù)制備多功能雙環(huán)內(nèi)酰胺: 研究背景連續(xù)多步合成的成功案例多有報道，但是光化學(xué)連續(xù)合成的報道還是比較少。將光化學(xué)反應(yīng)過程嵌入到多步連續(xù)合成，困難在于要么需要額外的純化步驟，要么是實際反應(yīng)過程中光源的選擇和實驗方法不匹配。紫外（UV）輻射驅(qū)動的烯丙基烯胺的三重感光[2+2]交叉偶聯(lián)反應(yīng)，是制備2-氮雜雙環(huán)[2.1.1]己烷衍生物的有效方法。在馬來酸酐存在下，2-氮雜雙環(huán)[2.1.1]己烷衍生物，繼續(xù)在高溫條件下經(jīng)過一系列的熱電循環(huán)偶聯(lián)過程，得到多功能的雙環(huán)內(nèi)酰胺。該過程在釜式反應(yīng)中存在一些問題：第一步光催化反應(yīng)受到光透過率的影響難以放大；第二步加熱反應(yīng)，溫度超過了溶劑的沸點，需要加壓，有一定的安全隱患；另外，產(chǎn)品用甲醇重結(jié)晶，在過濾的時候容易堵塞；同其他高溫反應(yīng)一樣，短時間準(zhǔn)確跟蹤反應(yīng)也不容易。圖1. 光熱聯(lián)合制備多功能雙環(huán)內(nèi)酰胺英國布里斯托大學(xué)的Dr. Alastair Lennox等，對該反應(yīng)的兩步連續(xù)化進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了將光熱聯(lián)合兩步連續(xù)制備多功能雙環(huán)內(nèi)酰胺。圖2. 兩步連續(xù)反應(yīng)圖3. 實驗裝置圖實驗研究圖4. 工藝流程示意圖研究者對光敏劑及用量，反應(yīng)溶劑，流速和光源功率等做了一系列的研究。通過實驗條件篩選，最終確定第一步光化學(xué)反應(yīng)以FEP 管線 (3.12 mm 2.7 mm) 作為反應(yīng)器，反應(yīng)器持液體積160 mL；乙腈為溶劑，2,7-Dimethoxy-thioxanthen-9-one 作為光敏劑，流速3 mL/min ，在700w 455 nm光源照射下反應(yīng)，中間體2收率可以達(dá)到98%；在接收到約40 mL反應(yīng)液后，開始第二步反應(yīng)。第一步反應(yīng)液和馬來酸酐的乙腈溶液混合后，經(jīng)過一個持液體積30 mL，反應(yīng)溫度200 ℃的反應(yīng)器，反應(yīng)時間5 min，背壓34 bar；經(jīng)過1小時的穩(wěn)定運行，接收到360 mL反應(yīng)液，反應(yīng)液濃縮到約100 mL后，冷卻析晶。固體過濾并用乙醚洗滌得到20.4 g產(chǎn)品，總收率63%。總結(jié)該研究展示了光熱反應(yīng)進(jìn)行組合形成兩步連續(xù)的工藝；該工藝可以減少兩步反應(yīng)中間的分離純化過程；連續(xù)流工藝可以在背壓下提高反應(yīng)溫度；連續(xù)流反應(yīng)器在線反應(yīng)體積小，減少反應(yīng)風(fēng)險；該研究提供了快速獲得新型分子結(jié)構(gòu)的一條途徑。參考文獻(xiàn)：Org. Process Res. Dev. 2021, 25, 8, 1943–1949

2022-07-20 13:38:49光聲成像材料 | 腫瘤微環(huán)境激活的光聲成像顯影劑: 在生物成像和光診療學(xué)領(lǐng)域，通過對材料的結(jié)構(gòu)調(diào)整以控制其光學(xué)性質(zhì)是探索新材料，發(fā)現(xiàn)新應(yīng)用的重要且常見方式。貴金屬就是其中較為主要的一類原料，但通常的貴金屬材料存在兩個明顯缺點：一、激發(fā)波長通常落在可見光和近紅外一區(qū)（NIR-I，700 – 1000 nm），這使得成像的深度降低，同時無法與組織發(fā)生明顯的作用；二、該類材料通常不具備激活功能（即始終在線，Always-on），使得難以從成像中分辨目標(biāo)和其他無關(guān)組織，同時可能會存在未知副反應(yīng)。在這樣的背景下，作者Chunyu Zhou等人將目標(biāo)放在更高信噪比、更大成像深度的近紅外二區(qū)（NIR-II，1000 – 1700 nm），開發(fā)能夠?qū)δ[瘤微環(huán)境進(jìn)行響應(yīng)的貴金屬納米材料。該材料以金納米粒子（Gold nanoparticles，AuNPs）為主體（見圖1），在乙醇和水的混合體系中使其形成納米鏈（Nanochain）。之后引入Tetraethyl orthosilicate，（TEOS），水解后包裹金納米鏈，形成核鞘結(jié)構(gòu)（Core-sheath nanostructure，AuNCs@SiO2）。注射至小鼠體內(nèi)后，因腫瘤微環(huán)境（Tumor microenvironment，TME）中高H2O2水平觸發(fā)鄰近金納米顆粒在AuNCs@SiO2的有限局部空間內(nèi)融合，從而產(chǎn)生了具有強NIR-II吸收的串狀結(jié)構(gòu)。圖1：AuNCs@SiO2作用示意圖因AuNCs@SiO2具有TME激活特性，因此不容易受其他組織的影響，表現(xiàn)出優(yōu)異的光聲成像性能（圖2）。圖2：正常組織與腫瘤組織的超聲、光聲成像對比同時，AuNCs@SiO2在1064 nm處光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)82.2%（圖3），可導(dǎo)致癌細(xì)胞嚴(yán)重死亡，顯著抑制腫瘤生長（圖4、5、6）。圖3：AuNCs@SiO2與其他已報道的光熱治療試劑的轉(zhuǎn)換效率對比：1) AuNCs@SiO2; 2) Au3Cu@PEG TPNCs; 3) Au-wires-on-AuNR; 4) Pt Spiral; 5) Cu2MnS2 NPs; 6) Nb2C (Mxene); 7) Cu3BiS3 NRs; 8) L-Pdots; 9) TBDOPV-DT NPs; 10) SPN-DT圖4：注射PBS和AuNCs@SiO2的荷4T1瘤小鼠光熱紅外熱成像（1064 nm NIR-II激光，0.5 W/cm2）圖5：注射PBS和AuNCs@SiO2后，腫瘤部位溫度與照射時長的變化趨勢圖6：接受相應(yīng)治療后的小鼠腫瘤大小對比（I：PBS；II：AuNCs@SiO2；III：PBS+Laser；IV：AuNCs@SiO2+Laser）總結(jié)：作者成功合成出具有TME響應(yīng)的、同時具有光聲成像和光熱治療功能的二氧化硅包裹自組裝金納米鏈。通過TME中高濃度H2O2水，使金納米粒子表面檸檬酸氧化，進(jìn)而脫離納米粒子表面，導(dǎo)致金納米粒子融合，產(chǎn)生強NIR-II吸收。這一新型材料或許能夠為準(zhǔn)確非侵入性診療打開新的大門。美國PhotoSound 小動物3D光聲/熒光成像系統(tǒng) (PAFT) 美國PhotoSound小動物全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)(PAFT)為小動物活體成像和表征提供了完整的解決方案。該系統(tǒng)集成了三種互補的三維成像模式：光聲成像(PAT)、熒光成像(FMT)、生物發(fā)光成像(BLT)，可同時實現(xiàn)小動物的3D光聲、3D熒光和3D生物發(fā)光成像,該系統(tǒng)可為生物組織提供高分辨率、高對比的解剖學(xué)成像效果。可實現(xiàn)近紅外一區(qū)和近紅外二區(qū)（670-2600 nm）小鼠全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)，采用OPO可調(diào)式激光器，提供670-2600 nm連續(xù)脈沖激光、完全3D光聲成像(具有100 um等向分辨率的完全三維成像，非切片疊加成像)、高通量 (256個電子通道)、靈敏度高(60 nM ICG )、桌面式設(shè)計，方便使用、成像速度快 (完成一次3D掃描需30秒)。往期回顧● 美國PhotoSound小動物全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)● 小鼠解剖應(yīng)用筆記 —— 美國PhotoSound小動物全身3D光聲/熒光成像系統(tǒng)● 光聲成像應(yīng)用 | 探尋動脈粥樣硬化斑塊

2022-10-28 10:18:55光聲應(yīng)用 | 腎小管間質(zhì)纖維化診斷: 背景慢性腎病，以其高發(fā)生率和強大的潛伏性，已越來越成為一種常見的疾病。如果能夠及時地檢測到該疾病的發(fā)生進(jìn)程，將大大改善后續(xù)的醫(yī)療成效。在眾多病理特征中，腎小管間質(zhì)纖維化（Tubulointerstitial fibrosis）作為眾多腎臟疾病發(fā)展進(jìn)程中的常見中間體，是反映腎臟狀態(tài)的重要指標(biāo)。目前，臨床方法仍然只能做到減緩病程，并不能阻止或者扭轉(zhuǎn)疾病對于組織的破壞。因此，醫(yī)療和科研工作人員將注意力放在了疾病的早期階段——如果能在該階段確定病變，則有更大的幾率阻止疾病惡化。研究思路在此背景下，Dingyuan等人嘗試對腎小管間質(zhì)纖維化進(jìn)行實時檢測。傳統(tǒng)的方法使用的腎活組織切片（Kidney biopsy）容易導(dǎo)致大量出血，因而作者更偏向于非接觸式檢測。而在該領(lǐng)域，通常選用CT、核磁共振等方式，但這些方式輻射風(fēng)險相對較大，因此作者選擇了光聲/熒光成像方式。而在顯影劑的選擇上，相對于無機(jī)材料，有機(jī)材料具有更好的生物降解能力、純度以及聚集誘導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)（Aggregation-induced emission, AIE）——一種在溶液中分散時幾乎不發(fā)光，但在聚集狀態(tài)時發(fā)光大大增強的現(xiàn)象——因而被作者看中。同時，現(xiàn)有的大部分具有AIE的光聲顯影劑為疏水性材料，不利于均勻分散和體內(nèi)代謝，因此作者開發(fā)了一款水溶性AIE腎小管間質(zhì)纖維化檢測顯影劑。顯影劑設(shè)計及表征作者首先獲得的是AIE-4COOH分子——一個攜帶4個羧基的具有AIE效應(yīng)的分子。為了增加其水溶性，作者將4個羧基全部PEG化，成為AIE-4PEG550。AIE-4PEG550在DMSO/水體系中溶解良好，并能夠自組裝形成納米粒子（AIE-4PEG550 NPs，圖1）。表征結(jié)果顯示該粒子有以下兩個優(yōu)點：一、粒徑約26 nm，質(zhì)量約3.3 kDa，能夠有效通過腎臟的濾過作用（截留質(zhì)量通常為30-50 kDa）；二、光穩(wěn)定性好：在660 nm波長持續(xù)照射30 min后，僅有微小強度下降，而作為對照的顯影劑ICG則已完全猝滅。在645 nm處具有強吸收峰，而發(fā)射峰則在893 nm。圖1 AIE-4PEG550納米粒子設(shè)計思路圖2 AIE-4PEG550 NPs的左）吸收、發(fā)射圖譜；右）粒徑檢測（溶液均為水）體外和體內(nèi)實驗體外實驗著眼于該有機(jī)分子的生物兼容性。在0 – 100 μg/mL該分子溶液中孵育24 h后，HK-2細(xì)胞（Human kidney -2，人腎皮質(zhì)近曲小管上皮細(xì)胞）的存活率仍在95%以上（圖3）。圖3 在不同濃度AIE-4PEG550 NPs環(huán)境下孵育的HK-2細(xì)胞存活率在正常體內(nèi)實驗中，作者同時進(jìn)行了熒光和光聲成像，相互驗證了該顯影劑主要聚集于腎臟而非肝臟（圖4），隨著時間流逝，腎臟中的含量逐漸降低，膀胱中的含量逐漸增加，表明該顯影劑可由腎臟代謝，并由尿液排出。測得的24 h清除效率為93.1 ± 1.7%（圖5）。圖4 在注射顯影劑后，腎臟的熒光（A）和光聲（B）、膀胱的熒光（C）和光聲（D）隨時間的成像效果變化。在腎臟中，4 min達(dá)到頂峰，而在膀胱中，60 min達(dá)到頂峰。E和F分別為相應(yīng)的數(shù)值變化柱狀圖圖5 腎臟清除效率隨注射后時間變化曲線（每只小鼠200 μg劑量，n = 3）而在腎病模型小鼠上，同樣的劑量表現(xiàn)出截然不同的結(jié)果：直到180 min之前，腎臟中的顯影劑含量一直在增加，說明腎臟代謝功能降低，本該代謝到膀胱的化合物積聚在腎臟中（圖6），這一現(xiàn)象也在相應(yīng)的熒光信號強度上有所驗證（圖7）。通過這種區(qū)別，能夠較為直觀地評估腎臟代謝功能。圖6 在注射顯影劑后，腎臟的熒光（A）和光聲（B、C）、膀胱的熒光（D）和光聲（E、F）隨時間的成像效果變化。圖7 腎病模型小鼠注射顯影劑后180 min的熒光信號強度變化（紅：腎臟；藍(lán)：膀胱）小結(jié)作者設(shè)計并開發(fā)了一種新型熒光/光聲顯影劑，其優(yōu)點主要有：一、體積小，可通過腎臟過濾；二、腎臟清除效率較高；三、得益于AIE效應(yīng)，成像效果優(yōu)異；四、良好的生物兼容性；五、優(yōu)良的光穩(wěn)定性。在文獻(xiàn)中，作者將其應(yīng)用于非侵入式地診斷腎小管間質(zhì)纖維化情況，祝愿在不久的將來，這項技術(shù)可以用于臨床，幫助醫(yī)生快速診斷腎臟功能，從而幫助患者更好地恢復(fù)。參考文獻(xiàn)[1] Yan, D., Li, T., Yang, Y., Niu, N., Wang, D., Ge, J., Wang, L., Zhang, R., Wang, D. and Tang, B.Z. (2022), A Water-soluble AIEgen for Noninvasive Diagnosis of Kidney Fibrosis via SWIR Fluorescence and Photoacoustic Imaging. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2206643. https://doi.org/10.1002/adma.202206643

2021-06-24 15:22:20光熱紅外法涂層測厚儀的測量原理: 德國AIM Systems公司的光熱紅外法涂層測厚儀CoatPro可以離線或在線對涂層厚度進(jìn)行非接觸無損測量，測量時間短適用范圍廣，可以有效地幫助客戶控制質(zhì)量，節(jié)約成本，為客戶的產(chǎn)線升級提供可靠的自動化檢測手段，并未客戶優(yōu)化工藝提供重要的數(shù)據(jù)支持。測量原理：光熱紅外法涂層測厚儀CoatPro采用的工作原理是光熱紅外法。利用光源照射物體表面，通過對激勵光源進(jìn)行強度調(diào)制，在材料中產(chǎn)生熱波，光源激發(fā)的熱量通過熱波在涂層中向深處傳播，這一熱波在涂層與基材的邊界處反射并傳播出涂層以紅外熱輻射的形式被探測器吸收。涂層越厚，該過程花費的時間越長嗎。因此利用紅外探測器探測紅外熱輻射（相移）的信號就可以獲得涂層的厚度信息。由于表征涂層厚度（或其他參數(shù)）的不是信號幅度而是信號相位，即輻射熱波相對于激發(fā)光波的時間偏移，因此這種測量方式對測量距離或探測角度的變化不敏感。這樣，可以非常高精度地測量涂層厚度和面密度。光熱紅外法測量的精度在亞微米范圍內(nèi)，通常比目前工業(yè)上常用的測量方式要精確得多。利用光熱紅外法進(jìn)行準(zhǔn)確的涂層測量必須滿足以下兩個條件：1. 表面材料可以吸收光2. 在涂層和基材之間有足夠的熱折射率差這些條件適用于絕大多數(shù)的材料組合，所以光熱紅外法涂層測厚儀適用面很廣實用性很強。除了可以測量常規(guī)的金屬基材表面的涂層以外，也可以很好地應(yīng)用于塑料、橡膠、陶瓷和復(fù)合材料表面的涂層測量。測量所使用的激勵光源對人體無害，對被測物體表面也僅加熱幾個開爾文（攝氏度）即可。涂層本身不受測量的影響。如前所述光熱紅外法涂層測厚儀測量的是信號相位，該信號與測量的距離和角度無關(guān)，所以待測物的形狀和涂層表面的粗糙度對測量結(jié)果沒有明顯的影響。

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