高光谱能量密度全光纤纳秒脉冲1.7 μm光源在脂质特异性光声显微成像中的突破与应用

研究人员针对光声成像（PAI）中脂质检测的波长选择性和信号强度不足问题，开发了一种基于受激拉曼散射（SRS）的高光谱能量密度全光纤纳秒脉冲1.7 μm光源。该系统通过主振荡器光纤放大器（MOFA）架构，实现了1719.44 nm窄线宽（~0.10 nm）、高脉冲能量（≥2.2 μJ）及可调重复频率（达300 kHz），光谱能量密度达22 μJ/nm，显著优于传统光源。实验验证了其在脂质特异性光声显微镜（PAM）中的高分辨率（4.14 μm横向分辨率）和强对比度成像能力，为代谢疾病诊断提供了新工具。

　　

研究背景与意义
在生物医学成像领域，光声成像（PAI）因其兼具光学对比度和超声穿透深度优势，成为研究热点。然而，传统PAI依赖血红蛋白吸收峰（如532 nm），对其他生物分子如脂质的成像存在局限性。脂质作为能量存储和细胞膜关键组分，其代谢异常与动脉粥样硬化、糖尿病等疾病密切相关。尽管脂质的C–H键在近红外区域（NIR，700–2500 nm）存在第一（1720 nm）和第二（1210 nm）泛音吸收带，但现有光源（如光学参量振荡器OPO、超连续谱SC激光）普遍面临光谱能量密度低、脉冲重复频率（PRR）固定或系统复杂等问题，制约了脂质特异性成像的灵敏度和分辨率。

为解决上述挑战，韩国国立研究基金会（NRF）支持的研究团队开发了一种基于受激拉曼散射（SRS）的全光纤纳秒脉冲1.7 μm光源，靶向脂质的第一泛音吸收峰（1719.44 nm）。该成果发表于《Photoacoustics》，为高分辨率、无标记脂质成像提供了创新解决方案。

关键技术方法
研究采用主振荡器光纤放大器（MOFA）架构：1）以1589.80 nm分布式反馈激光二极管（DFB-LD）为泵浦源，通过电光调制器（EOM）生成5 ns脉冲；2）定制窄线宽（0.09 nm）连续波（CW）拉曼种子激光（1719.44 nm）实现光谱纯化；3）三级放大器（预放大+两级铒镱共掺光纤放大器EYDFA）提升脉冲能量；4）结合SRS光纤放大器，实现高效能量转移至目标斯托克斯波长。系统通过1951 USAF分辨率靶、聚乙烯（PE）薄膜和猪腹部组织验证性能。

研究结果

1. 光源性能表征
系统输出脉冲能量≥2.2 μJ，线宽0.10 nm，PRR可调至300 kHz，光谱能量密度达22 μJ/nm（较传统光源提升40倍以上）。长期稳定性测试显示功率波动标准差<0.07%。

2. 系统分辨率验证
使用1951 USAF靶标测试显示，横向分辨率达4.14 μm（x轴）和6.00 μm（y轴），轴向分辨率85.5 μm，与理论值（4.06 μm）高度吻合。

3. 脂质特异性成像
PE薄膜（富含CH₂
键）的PAM图像清晰呈现复杂几何结构，验证C–H键选择性激发能力。猪脂肪组织成像中，脂质细胞结构对比度显著（SNR达39 dB，10次平均），三维重建揭示脂滴空间分布。

结论与展望
该研究通过MOFA-SRS架构实现了高光谱能量密度、窄线宽的1.7 μm光源，突破了脂质特异性PAM的技术瓶颈。其核心优势包括：1）精准匹配脂质吸收峰（1719.44 nm）；2）可调PRR支持高速成像与信号平均；3）全光纤设计提升稳定性。未来通过集成微机电系统（MEMS）扫描和重水（D₂
O）浸没介质，可进一步推动其在活体反射模式和多光谱PAI中的应用，为动脉粥样硬化等脂代谢疾病的早期诊断提供新范式。