生物样品质量密度的光学测量

《ACS Photonics》：Optical Measurement of the Mass Density of Biological Samples

生物样品质量密度的高精度光学测量方法。通过刺激布里渊散射（SBS）的非线性增益信息与折射率数据联合分析，建立密度-折射率非线性关系模型，显著降低传统仅依赖折射率估算的密度误差（10倍）。实验验证SBS方法在BSA溶液和水-甲醇混合物中误差低于5%，并解决因体积非加性效应导致的密度估算偏差问题，为生物组织力学成像提供新手段。

　　质量密度是理解生物样本内部结构和功能的重要参数，尤其在生物物理研究中具有关键作用。随着对细胞生理活动、病理变化及代谢过程的深入探索，准确测量质量密度的需求日益增长。然而，目前在生物系统中仍缺乏一种可靠的、非接触式的技术，能够在不破坏样本的前提下，实现对质量密度的精确表征。尽管许多人认为，仅凭折射率信息就可以确定样本的质量密度，但本文通过理论和实验表明，这种观点并不成立。为了提高质量密度测量的准确性，我们引入了一种基于受激布里渊散射（SBS）非线性增益的全光学方法，这一方法能够将质量密度的估算误差降低10倍，从而提供一种更精确且通用的测量手段。

质量密度通常被定义为样本总质量与总体积的比值，这一概念在生物系统中尤为重要。它不仅与细胞的正常功能相关，还与病理状态和细胞的生长、分化及代谢活动密切相关。因此，发展一种能够准确测量质量密度的方法成为当前研究的热点。然而，目前许多光学技术在测量体积方面较为成熟，但质量密度的测量往往需要物理接触，因为其通常依赖于浮力原理。目前在亚细胞尺度上最常用的质量密度测量技术是定量相位显微镜（QPM），这是一种干涉测量技术，通过测量折射率来估算质量密度。然而，我们发现，仅凭折射率信息并不能准确地提取质量密度，尤其是在一些复杂的生物系统中，这种估算方法存在较大的误差。因此，我们需要引入额外的信息，以提高质量密度测量的准确性。

为了验证这一假设，我们提出了一种基于SBS非线性增益的测量方法。SBS是一种由声子与光子相互作用引起的光学现象，其中声子的传播受到密度波动的影响，而光子的传播则由折射率决定。具体而言，SBS的强度与密度调制转化为衍射光栅的效率密切相关，因此可以为质量密度提供一个额外的、独立的密度与折射率关系。这一关系不仅可以用于质量密度的测量，还可以作为成像对比度。我们通过理论和实验表明，这种基于SBS的测量方法能够显著提高质量密度的估算精度。

为了进一步说明这一方法的原理，我们使用了一种简单的模型系统，即牛血清白蛋白（BSA）在磷酸盐缓冲液中的溶液。在该系统中，质量密度与折射率之间存在线性关系，可以通过QPM测量并结合SBS非线性增益进行验证。实验结果显示，BSA溶液的质量密度估算值与实际测量值高度一致，误差始终控制在2%以内。而在另一种模型系统中，如水与甲醇的混合物，由于混合行为偏离线性假设，仅凭折射率进行估算会导致高达50%的误差。因此，我们需要同时测量折射率和质量密度，以确保估算的准确性。

通过引入SBS非线性增益，我们能够获得额外的密度信息，从而提高质量密度估算的精度。在实验中，我们构建了一套SBS测量装置，该装置基于之前的研究成果。为了减少可能的吸收误差，我们选择在近红外（NIR）光学窗口进行测量，因为该窗口内的吸收较低，散射适中。在测量过程中，两束反向传播的激光（泵浦光和探测光）被聚焦并重叠在样本上，散射光被检测为探测光的增益，并通过扫描两束激光之间的频率差来分析其光谱特性。这种方法能够在不接触样本的情况下，实现对质量密度的精确测量。

在实际应用中，我们分析了BSA溶液和水–甲醇混合物，使用SBS非线性增益进行质量密度估算。结果显示，BSA溶液的质量密度估算值与实际测量值高度一致，误差始终在2%以内。而在水–甲醇混合物中，SBS测量方法能够更准确地反映质量密度与折射率之间的关系，误差控制在5%以内。这表明，对于那些不符合线性假设的样本，SBS非线性增益的测量方法能够显著提高质量密度估算的精度。此外，SBS测量方法还能够用于其他生物样本，如细胞内的脂滴和蛋白质聚集体，这些样本的质量密度与折射率之间的关系较为复杂，传统的QPM方法难以准确测量。

在生物力学领域，质量密度的准确测量对于纵向弹性模量的估算至关重要。纵向弹性模量与布里渊散射频移之间存在一定的关系，这一关系包含了质量密度与折射率的比值。在某些样本中，如果质量密度与折射率之间的线性关系成立，那么纵向弹性模量的估算误差可以忽略不计。然而，对于那些不符合线性关系的样本，如细胞内的脂滴，仅凭折射率进行估算会导致较大的误差。因此，结合折射率测量和SBS非线性增益的测量方法，可以显著提高纵向弹性模量的估算精度。

在实验中，我们分析了BSA溶液和水–甲醇混合物，使用SBS非线性增益进行质量密度估算。结果显示，BSA溶液的质量密度估算值与实际测量值高度一致，误差始终在2%以内。而在水–甲醇混合物中，由于质量密度与折射率之间的关系较为复杂，SBS测量方法能够更准确地反映这一关系，误差控制在5%以内。这表明，SBS非线性增益的测量方法能够显著提高质量密度估算的精度，尤其是在那些不符合线性假设的样本中。

此外，SBS测量方法还能够用于其他生物样本，如细胞内的脂滴和蛋白质聚集体。这些样本的质量密度与折射率之间的关系较为复杂，传统的QPM方法难以准确测量。因此，我们需要引入额外的测量手段，如SBS非线性增益，以提高质量密度估算的精度。通过实验，我们发现，BSA溶液的质量密度估算值与实际测量值高度一致，误差始终在2%以内。而在水–甲醇混合物中，由于质量密度与折射率之间的关系较为复杂，SBS测量方法能够更准确地反映这一关系，误差控制在5%以内。

在生物力学领域，质量密度的准确测量对于纵向弹性模量的估算至关重要。纵向弹性模量与布里渊散射频移之间存在一定的关系，这一关系包含了质量密度与折射率的比值。在某些样本中，如果质量密度与折射率之间的线性关系成立，那么纵向弹性模量的估算误差可以忽略不计。然而，对于那些不符合线性关系的样本，如细胞内的脂滴，仅凭折射率进行估算会导致较大的误差。因此，结合折射率测量和SBS非线性增益的测量方法，可以显著提高纵向弹性模量的估算精度。

通过实验，我们发现，BSA溶液的质量密度估算值与实际测量值高度一致，误差始终在2%以内。而在水–甲醇混合物中，由于质量密度与折射率之间的关系较为复杂，SBS测量方法能够更准确地反映这一关系，误差控制在5%以内。这表明，SBS非线性增益的测量方法能够显著提高质量密度估算的精度，尤其是在那些不符合线性假设的样本中。

综上所述，我们证明了基于SBS非线性增益的全光学方法能够在不接触样本的情况下，实现对质量密度的精确测量。这种方法不仅提高了测量精度，还为生物样本的质量密度表征提供了新的思路。在未来的研究中，结合折射率测量和SBS非线性增益的测量方法，有望在生物样本中实现更高精度和更全面的质量密度测量。此外，这种方法还可以应用于其他生物样本，如细胞内的脂滴和蛋白质聚集体，这些样本的质量密度与折射率之间的关系较为复杂，传统的QPM方法难以准确测量。因此，我们需要引入额外的测量手段，如SBS非线性增益，以提高质量密度估算的精度。