光学衰减光谱法定量单分散微泡悬浮液尺寸：一种高精度无标记测量新方法

《Urologic Clinics of North America》：Accurate Sizing of Monodisperse Microbubble Suspensions by Optical Attenuation Spectroscopy

本研究针对超声造影剂微泡精确尺寸测量的技术瓶颈，开发了基于米氏散射理论的光学衰减光谱(OAS)方法。研究人员通过建立理论模型与实验验证，发现OAS与荧光显微镜测量结果高度一致(±1.5%)，而库尔特计数器会系统性高估微泡半径(4%-11%)。该技术为单分散微泡的快速、无标记、高精度尺寸分析提供了新方案，对超声医学和药物递送研究具有重要意义。

　　

在生物医学工程领域，超声造影剂微泡已成为诊断成像和治疗递送的重要工具。这些微小的气泡（通常直径在1-10微米之间）在超声场中会产生独特的共振行为，而其共振频率与尺寸直接相关。然而令人困扰的是，尽管精确的尺寸测量对于理论模型验证和实验数据对比至关重要，但微泡尺寸测量的"金标准"方法至今尚未确立。

目前常用的微泡尺寸测量方法各存在明显局限：光学显微镜测量受复杂的米氏散射效应干扰；库尔特计数器可能因压力驱动流导致微泡变形；激光衍射法重现性较差；流式细胞术需要复杂校准且可能压缩微泡。这种测量不确定性严重阻碍了对微泡物理特性的准确理解，特别是在需要纳米级精度的应用中，如表面张力曲线计算时，尺寸误差会通过数值积分不断累积。

为了解决这一技术难题，来自荷兰特文特大学的研究团队开发了一种基于光学衰减光谱(OAS)的创新测量方法。这项研究发表在《Urologic Clinics of North America》上，系统评估了OAS技术在单分散微泡尺寸测量中的性能，并与传统方法进行了全面对比。

研究人员采用的主要技术方法包括：通过流动聚焦装置制备单分散微泡；建立基于米氏散射理论的光学衰减光谱数学模型；搭建包含宽带光源、光谱仪和磁力搅拌系统的实验装置；使用荧光显微镜和库尔特计数器进行平行测量验证；通过非线性拟合算法从衰减光谱中提取尺寸分布参数。

理论与方法

研究团队首先建立了完整的理论框架，将微泡的光散射行为描述为气体填充球体的米氏散射问题。理论分析表明，光学衰减光谱的形状主要由两个参数决定：模态气泡半径R₀和聚散度指数(PDI)。当PDI低于10%时，衰减光谱会呈现明显的局部极值特征，这些特征的位置和幅度与尺寸分布参数存在明确的对应关系。

实验系统采用氘-钨卤素连续光源和光谱仪组合，测量波长范围为400-1000纳米。微泡悬浮液在石英比色皿中通过磁力搅拌保持均匀，每个光谱测量仅需3.2秒，实现了快速采集。

结果与讨论

对比分析显示，亮场显微镜测量的半径始终比荧光显微镜大0.45微米，这种系统性偏差与先前研究一致，主要源于米氏散射对成像的复杂影响。

更重要的是，OAS与荧光显微镜的测量结果表现出高度一致性，差异仅在±1.5%以内。而库尔特计数器则显示出明显的尺寸依赖性偏差：对于半径为3.0微米的微泡，库尔特计数器的测量结果比OAS高4%；当半径增至4.0微米时，偏差达到11%。

研究人员进一步用不可压缩的聚苯乙烯微球进行验证实验，发现OAS与库尔特计数器之间存在约4%的恒定偏差，这与微泡观察到的尺寸依赖性偏差模式明显不同。这表明库尔特计数器对微泡的尺寸高估可能源于微泡在通过孔径时的变形效应，而非单纯的校准误差。

尺寸分布宽度测量方面，OAS与荧光显微镜得到的PDI值与库尔特计数器结果吻合良好，差异不超过2%，证明OAS能准确反映微泡群体的分散程度。

技术优势与局限

OAS技术的显著优势在于其快速（数秒内完成）、无标记、无需校准的特性，且测量过程在常压静止条件下进行，避免了微泡变形或破坏。该方法还可与声学表征测量结合，实现尺寸和声学特性的同步监测。

然而，OAS技术也存在明确适用范围：仅适用于非荧光标记的单分散微泡群体（PDI<10%），对于荧光标记或过宽分布的样品，该方法效果受限。此外，介质必须光学透明且折射率已知。

结论与展望

本研究确立了光学衰减光谱法作为单分散微泡尺寸测量的可靠技术，其与荧光显微镜的高度一致性证明了该方法的准确性。与库尔特计数器相比，OAS避免了因压力驱动流导致的尺寸高估问题，为微泡研究提供了更可靠的尺寸数据。

该技术的开发对超声医学领域具有重要意义，为实现微泡的在线质量控制和动态尺寸监测提供了新工具。未来，OAS有望成为微泡生产和应用研究中的标准尺寸分析方法，推动下一代微泡造影剂的精准设计和性能优化。特别是在需要高精度尺寸数据的应用中，如表面弹性特性计算、共振行为研究和靶向治疗开发，OAS将发挥不可替代的作用。

随着超声分子成像和药物递送技术的不断发展，对微泡特性的精确表征需求日益增长。光学衰减光谱法作为一种新兴的测量技术，不仅解决了当前微泡尺寸测量的准确性问题，更为未来微泡技术的创新研究奠定了坚实的方法学基础。