光声科普 | 光声信号原理及常见显影剂

光声现象是指物体接收脉冲光后，产生声信号的现象。正是因为信号以声波形式发出被设备接收，用于激发信号的光源通常为脉冲激光，以此保证声波持续、稳定地产生。

整个现象过程可分为三个步骤：光吸收、光热转换和热声转换（图1）。

光声现象产生于特定的物质，因此为了应用于特定场景，需要使用显影剂（或称造影剂、对比剂）获得光声信号。显影剂种类繁多，分类方法也多种多样。下面是4种常见分类方法。

一、显影剂来源。一些动物体内的物质本身具有光声信号，称为内源性显影剂（Endogenous PA contrast agent）。常见的有血红蛋白、肌红蛋白、脂质、黑色素、编码荧光蛋白等。得益于这些内源性显影剂，科研工作者可以在保证安全、高生物兼容性的情况下获得光声信号。同时，也由于存在于体内多处，其特异性和信噪比均较差。与之相对的是各类外源性显影剂（Exogenous PA contrast agent），如金属纳米材料、过渡金属硫族化合物（Transition metal chalcogenides）、碳纳米材料、石墨烯类似物（Graphene analogues）、聚合物纳米材料、有机染料、有机纳米颗粒等。尽管这些材料有更好的特异性和更高的信噪比，却不得不面临毒性大、容易光漂白等问题。因此显影剂的开发仍有很大空间。

二、靶向性。非靶向性显影剂通常用于血管造影、体内分布监测、药物代谢评估等全身性成像目的。而靶向性显影剂通常由靶向单元（Target unit）和光声信号基团组成。常见的靶向单元有适配子（Aptamer）、抗体（Antibody）、多肽（Peptide）、小分子配体（Ligand）等。通过连接靶向单元，可使非靶向性显影剂具有靶向性，如结合抗体的金属纳米颗粒、结合环状三肽或叶酸的单壁碳纳米管（cRGD-SWNTs、folate-SWNTs）、结合抗体的有机纳米颗粒等。

三、激发波长。常见的光声显影剂激发波长在近红外一区（700 – 1000 nm）。近年来，越来越多激发波长在近红外二区（1000 – 1700 nm）的显影剂被报道。相较于前者，近红外二区的显影剂光散射作用更小，能提升成像深度，同时组织吸收更少，能提升信噪比。

四、信号状态。传统的光声显影剂为常开（Always On）状态，即不论是否在目标位置，只要有对应激光脉冲，就会产生光声信号。这意味着可能无法真实展示目标组织的变化，且通常有强烈的背景信号，因而导致信噪比的降低。面对这一问题，近年来陆续有多种新型显影剂出现，其中一个区别在于可激活（Activatable），通常由靶向基团和光声信号基团组成，一旦与靶向目标结合，就会改变光声信号的表现，达到开、关或成比例的信号表达。

在实际成像需求中，科研工作者可直接使用这些常见的显影剂，也可根据需求自行设计、优化。