斜向光热显微技术实现活体亚微米级红外光谱成像的突破性进展

　　本研究报道了一种创新的斜向光热显微镜（OPTM）技术，通过采用差分分裂探测器收集500倍更多光子并结合平衡检测将激光噪声抑制12倍，解决了传统反射模式红外光谱灵敏度低、分辨率不足的难题。该技术首次实现了活体样本亚微米分辨率下的低剂量红外成像，成功应用于小鼠和人类皮肤中代谢标志物的深度分辨成像以及透皮药物递送的实时追踪，为生物医学研究和临床分子分析提供了高灵敏度成像平台。

　　

在生物医学研究领域，活体分子成像技术长期面临重大挑战。传统红外（IR）光谱虽具有分子指纹识别优势，却受限于反射模式灵敏度低、微米级分辨率不足等问题。更棘手的是，现有技术如傅里叶变换红外光谱（FTIR）和光声红外显微镜难以实现活体组织的深度分辨成像，而原子力显微镜红外光谱（AFM-IR）又因穿透深度限制无法用于体积成像。这些技术瓶颈严重阻碍了科学家对活体组织中分子动态过程的深入探索。

针对这一科学难题，来自波士顿大学和复旦大学的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，开发出斜向光热显微镜（Oblique Photothermal Microscopy, OPTM）技术。该技术通过革命性的光子收集策略和噪声抑制机制，首次实现了活体样本亚微米分辨率下的高灵敏度红外光谱成像，为代谢研究和药物递送监测提供了全新工具。

研究团队采用三个关键技术方法：1）设计差分分裂探测器系统，通过表面放置的探测器收集散射光子；2）开发平衡检测电路和信号处理算法，实现激光噪声抑制；3）建立深度分辨成像系统，结合最小绝对收缩选择算子（LASSO）算法进行光谱解混。实验使用C57BL/6J和BALB/c小鼠及人类志愿者皮肤样本，通过蒙特卡洛模拟验证光子收集效率提升效果。

【OPTM原理和模拟结果】
研究团队突破性地改变了传统光热检测的光子收集策略。通过蒙特卡洛模拟证实，斜向检测方式的光子收集效率达39%，较传统物镜收集（0.1%）提升500倍。关键创新在于利用分裂探测器的差分信号提取光热相位梯度（PTPG）信息，同时通过平衡检测将激光噪声抑制12倍。这种设计使系统能够检测组织中微弱散射体的光热信号。

【OPTM仪器与信号处理】
仪器整合了脉冲量子级联激光器（QCL）和连续波可见激光，采用反射中继光学系统消除色差。定制印刷电路板（PCB）集成了偏置电压达100V的分裂探测器系统，配合锁相放大器和数据采集卡实现实时信号处理。独特的信号处理流程可同步生成PTPG图像和吸收图像，为化学分析提供多维度信息。

【活体小鼠皮肤成像】
在活体小鼠皮肤实验中，OPTM成功区分了脂肪细胞中的游离脂肪酸（1704 cm^-1）和脂质酯（1742 cm^-1），信噪比较传统MIP显微镜提升8倍。深度分辨成像揭示了角质层（10μm）、活性表皮层（50μm）和皮脂腺（75μm）中蛋白质（1553 cm^-1）和脂质的空间分布差异，证实了技术的三维成像能力。

【透皮药物递送研究】
应用OPTM追踪过氧化苯甲酰（BPO）的透皮过程发现：药物主要通过毛囊开口（46.5%效率）和汗孔渗透，但未到达皮脂腺。定量分析显示药物在毛囊中的递送效率随深度先增后减，最高不足30%，这一发现为痤疮治疗方案的优化提供了重要依据。

【人类皮肤成像】
在志愿者前臂实验中，OPTM实现了无创代谢标志物成像，清晰显示了40μm深度处蛋白质和脂质的分布特征。药物追踪实验再现了小鼠研究中的发现，证实了技术的人体应用潜力。

这项研究通过创新性的斜向检测策略，突破了活体红外成像的技术瓶颈。OPTM不仅能解析皮肤组织的精细分子结构，还可实时监测药物递送过程，为皮肤病机理研究和透皮给药系统开发提供了强大工具。特别值得注意的是，该技术首次揭示了BPO在毛囊中的动态分布特征，为临床痤疮治疗方案的优化提供了分子层面的科学依据。未来通过采用更长波长的探测光，有望进一步提升成像深度，拓展技术在更多生物医学领域的应用前景。