激光散斑颗粒分析技术（SPARSE）：实现生物组织纳米至微米级颗粒的无创精准测量

　　研究人员针对生物材料颗粒尺寸测量难题，开发了非接触光学技术SPARSE。通过分析偏振激光散斑的时空特性，实现了10 nm-10 μm范围的颗粒测量，无需折射率或浓度先验知识，在牛奶、血液及乳腺组织中验证了其准确性，为纳米医学和病理诊断提供了新工具。

　　

在生物医学和材料科学领域，精确测量颗粒尺寸分布一直是个重大挑战。从纳米级的药物载体、细胞器，到微米级的细胞、脂肪球，颗粒尺寸影响着药物递送效率、食品质地、血液疾病诊断和肿瘤病理评估。然而，现有技术如动态光散射（DLS）和激光衍射（LD）需要将样品稀释在透明溶液中，无法直接测量完整组织或高散射生物流体中的颗粒。其他技术如荧光膜成像受光漂白影响，背景膜成像（BMI）需要干燥样品且易低估尺寸，角度分辨低相干干涉测量（a/LCI）则难以测量亚微米颗粒。这些限制促使研究人员开发一种能非侵入、准确测量宽范围尺寸且适用于复杂生物样本的新方法。

为此，研究人员在《Science Advances》发表了激光散斑颗粒分析技术（SPARSE），通过分析偏振激光散斑的时空属性，实现了10 nm至10 μm范围的颗粒尺寸测量，无需已知折射率或浓度，可直接应用于牛奶、血液和乳腺组织等复杂样本。

研究采用的关键技术方法包括：构建SPARSE光学系统，使用633 nm激光器和高速CMOS相机采集共偏振和交叉偏振散斑图像；通过偏振光蒙特卡洛射线追踪（PLCT-MCRT）模拟生成颗粒尺寸与光学特性的合成数据库；定义四个量化指标（X₁-X₄）表征散斑空间形态和时间相关特性；采用k-means聚类和逐步回归建立尺寸预测模型；结合动态光散射（DLS）、血涂片显微镜和组织学（H&E和PSR染色）进行验证。

研究结果方面，在原理部分（Principles of SPARSE），文章阐明了当激光聚焦到浑浊样本时，背向散射光形成散斑图案，其空间强度包络和时间波动与颗粒尺寸相关。小颗粒（a << λ）导致共偏振散斑呈双叶状且交叉偏振散斑衰减更快，而大颗粒（a ≈或> λ）使共偏振散斑变为四叶状且衰减差异减小。光学特性如 reduced scattering系数（μ_{s）和吸收系数（μa）也会影响散斑属性。}

SPARSE颗粒尺寸估计算法部分（SPARSE particle size estimation algorithm）详细介绍了如何通过模拟生成X₁-X₄指标的合成库，并根据这些指标将参数空间划分为五个簇，每个簇对应特定的尺寸估计方程。X₁表征共偏振强度包络的角向变化，X₂量化交叉偏振包络的圆度，X₃捕获偏振散斑去相关率的差异，X₄测量交叉偏振包络的径向范围。

在聚苯乙烯微球悬浮液的表征中（Characterizing the polystyrene microsphere suspensions），SPARSE成功测量了50 nm至5 μm的微球尺寸，与DLS结果显著相关（R = 0.96, P < 0.0001）。结果显示随着尺寸增加，X₁从0.36升至0.95，X₃下降，证明指标对尺寸变化的敏感性。

在牛奶样本的颗粒尺寸分析中（Characterizing the particle size in milk specimens of varying fat content），SPARSE检测到脂肪含量从0%增至4%时平均颗粒尺寸从99.6 nm增大至180 nm，与DLS测量相关（R = 0.96, P = 0.0411），反映了脂肪球和蛋白胶束的尺寸变化。

在追踪高渗条件下红细胞收缩中（Tracing the shrinkage of RBCs in whole blood samples of increased tonicity），SPARSE监测了猪全血中红细胞尺寸随盐浓度增加而减小，从等渗（0.9% NaCl）的2.2 μm降至高渗（2.1% NaCl）的1.00 μm，与涂片显微镜结果显著相关（R = 0.73, P = 0.007），展示了其在血液诊断中的应用潜力。

在异质性良性和癌组织颗粒尺寸分布绘图部分（Mapping particle size distributions in heterogenous benign and cancerous tissue specimens），SPARSE扫描激光束生成尺寸分布图。在良性纤维脂肪组织中，脂肪区域尺寸较大（≥20 μm），纤维区域较小（<1 μm）；在浸润性导管癌中，肿瘤细胞区域尺寸较小（100-200 nm），胶原丰富区尺寸中等（200 nm-1 μm），坏死区尺寸极小（<100 nm）。这些结果与H&E和PSR染色组织学特征一致，证明了SPARSE识别病理微结构的能力。

研究结论和讨论部分强调，SPARSE作为一种非接触光学技术，克服了传统方法的局限，能够直接测量完整生物材料中的颗粒尺寸，范围覆盖三个数量级（10 nm-10 μm），且不受光学特性变异的影响。其创新性在于利用多重散射而非规避它，通过偏振散斑分析同时获取空间和时间信息。技术验证 across多种样本（合成微球、牛奶、血液、组织）显示了高准确性和鲁棒性。讨论中指出，SPARSE在极小尺寸（<100 nm）和高多分散性样本中存在灵敏度限制，未来可通过可调波长光源扩展范围。此外，折射率变异的影响可通过散斑属性间接补偿，无需先验知识。这项技术在纳米医学、生物技术、食品工业和临床病理学中有广泛应用前景，如药物载体质量控制、血液学诊断、肿瘤分级评估等，为生物颗粒分析提供了强大新工具。