90年前，就有科學家觀察到聲致發光現象。即便如此，由於這一現像是在極端條件（10000攝氏度和81兆帕）下產生，發光效率和強度極低，未被認為是一種有效的成像技術，業界視其為"沒潛力"的研究方向。
近年來，中國科學院院士譚蔚泓科研團隊在這個"沒潛力"的領域努力"發光"，成功開發出一種創新的超音波發光成像技術，利用超音波激發螢光分子在活體內產生發光信號，實現了高強度的光學訊號輸出的成像新方法。相較於傳統水的聲致發光訊號，團隊開發的新技術在發光強度上提高2000餘倍。
近日，成果發表在Nature Photonics上，湖南大學教授宋國勝、張曉兵和譚蔚泓為通訊作者，湖南大學博士研究生王友娟（現已畢業）為第一作者。
4月5日， Nature photonics再次圍繞這一成果發表了新聞評論。新加坡南洋理工大學教授Pu KanYi等認為，論文作者開發了一種新的方法，透過壓電效應從有機奈米粒子產生超音波誘導的發光。採用兩步驟法顆粒內能量轉換過程，實現了最小的背景雜訊、改善的信噪比和比傳統螢光成像更深的成像深度。這些奈米粒子可用於腫瘤檢測、免疫環境分析和小鼠模型中的淋巴結成像。
在"沒潛力"的領域"發光"
所謂聲致發光，就是當機械波作用於液體時，液體中會產生氣泡，氣泡隨即坍塌到一個非常小的體積，內部的溫度可以超過10萬攝氏度，過程中會發出瞬間、微弱的閃光。
1998年至2002年間，螢光素等化學發光底物用來增強發光強度，類似底物能與活性氧物種反應。但這些系統中的發光強度仍相對較低，聲致發光成像的品質非常差，成像訊號難以與小鼠的背景區分開。這種聲致發光僅在文獻中作為概念證明出現，低發光強度、複雜成像操作和耗時過程阻礙了其實踐應用。
王友娟在測試超音波活化發光奈米粒子發光性能
「聲致發光是在高強度超音波作用下，液體空化而產生的微弱發光現象，也就是用超音波去激發水發光的過程。由於其發光條件弱且發光條件苛刻，1934年科學家發現這一現象後，後續相關研究很少，這個物理現象沒有產生大的使用價值。
為什麼去鑽研一個90年都鮮少被關注的科學現象？
目前，生物醫學領域應用了許多光學成像技術，很多是用光去激發一個物質或光分子讓其發光，但雷射照射組織時，穿透深度會受到限制。超音波成像技術因其非侵入性、成本低廉、操作簡便和即時成像的特性，在醫學臨床診斷中廣泛使用，但傳統的超音波成像技術在解析度和對比度上有限。
也就是說，現有的超音波影像技術只能看到人體內部結構框架，卻無法進一步看得更仔細，尤其在分子層面檢測疾病標記物方面有挑戰。
基於此，上述團隊做了大量構想與實驗。 「有一天我們突然想到能不能試著讓超音波使物質發光。」宋國勝介紹，具體試驗過程中，團隊遇到了很多困難，例如超音波設備不專業。但在做了大量試驗後，團隊終於發現超音波確實能讓分子發光。
「觀察到這現象後，我們並不知道其原理，當時覺得這是個很新的東西，算是一個突破。」團隊查詢大量文獻資料後，發現相關研究很少，但他們還是想試試，至少弄清楚它的原理。
給超音波加裝一個能量轉換器
分子影像是一種非侵入性的工具，用於可視化的定量分子和細胞生物過程，包括疾病的檢測、診斷、預測和監測。而超音波成像是利用高頻超音波來可視化人體內部，沒有電離輻射損傷，具有作為激發分子發光的能量來源的潛力。
超音波發光究竟如何實現？團隊針對光學成像領域的上述問題，開發了一種新型的超音波激發分子發光技術，該技術透過兩步驟內部能量轉換實現。第一步，分子透過壓電效應產生活性物質，這是機械能轉變成化學能的過程。第二步，生成的活性物質透過化學反應觸發分子發光，這是化學能轉變成光能的過程。
超音波活化發光奈米粒子
一個物質、分子或顆粒在體內發光，需要一個能量，例如光照給它一個能量，分子等接收能量後就會發光。
「通俗理解，超音波發光就相當於為超音波加裝一個能量轉換器。」宋國勝表示，整個超音波發光過程分為兩步，第一步是聲音在空氣傳播中產生聲波，我們能聽到聲音或發出的聲音讓人聽到，都靠的是聲波。雷射照射組織時穿透深度會受限，但聲音不同，它穿透人體後，會產生一個振動，從而帶動某個位置的分子或奈米顆粒振動。而分子有能量轉換功能，可將振動能量轉換為化學能量進而發光。
據介紹，相較於傳統的水自身聲致發光訊號，該研究開發的超音波激發發光分子在發光強度上提高了2000餘倍；與螢光成像相比，超音波激發發光成像由於超音波訊號和光學訊號發射之間不存在訊號串擾，訊號雜訊比提高了10倍，同時具備1.46毫米的空間解析度和高達2.2公分的組織穿透深度。
有望在多領域實現應用
據介紹，該研究同時開發了兩種成像模式來擷取超音波激發分子發光的訊號，包括在超音波激發停止後擷取光子訊號的延遲成像模式，和在超音波激發期間擷取光子訊號的即時成像模式。團隊也展示了該技術對皮下和原位腦腫瘤、原位胰腺癌、腹膜轉移腫瘤和淋巴結進行體內成像的可行性。
「團隊開發的超音波發光成像強度明顯高於聲致發光，且與即時光學激發不同，它幾乎沒有背景噪音。」宋國勝表示，未來這項成果可在成像儀器、醫學設備等多領域實現應用。
目前，該研究團隊已開發基於超音波發光成像技術的新儀器雛形。 「目前的B超能夠看到人體結構，透過該技術模組的搭載有可能看到人體更加精細的一些分子結構資訊、病變、癌症標記等。」宋國勝說。
「未來可能有更多的超音波醫療設備應用超音波發光成像技術，但光有設備不行，要研發和設備適配的相關藥物，開發各種發光更強、效率更高的分子，幫助設備檢測到更多目標物。
該論文的審查者認為，研究者開發了一種超音波觸發的光學成像技術，開發了超音波激勵期間的即時成像和超音波激勵後的延遲成像，展示了其在病灶映射和生物標記物檢測方面的潛力，涉及新材料和潛在的新機制，為最近揭示的新發光現象「超音波誘導餘輝（聲後發光）」提供了可能的解釋。這是一項很有趣的研究。
相關論文資訊：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01387-1
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01406-1
來源：中國科學報
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