振动光热成像：理论、仪器与应用

通过热量看见分子

许多医学和材料科学的突破依赖于能够在细胞、组织和微小器件内部观察分子的行为——理想情况下无需加入可能扰动它们的标记或染料。本文综述了一种快速发展的方法，称为振动光热成像，它检测分子吸收光后释放的微弱热脉冲。通过将这些微小的温度变化转化为图像，研究者能够以惊人的灵敏度和细节绘制活细胞、电池、塑料乃至历史画作中的化学分布。

从光吸收到微小热脉冲

当分子吸收光子时，大部分能量并不会以发光的形式返回；相反，在分子弛豫过程中迅速转化为热量。振动光热成像正是利用了这一普遍现象。经过精确调谐的红外“泵浦”光束激发特定化学键，第二束“探测”光束则通过检测光在样品中透射或散射性质的变化来感知随之产生的温升。由于振动激发几乎将所有能量转化为热，这种方法天然具备高灵敏度并可在无荧光标记的条件下工作。作者解释了温度如何在纳秒到微秒尺度上上升和衰减，以及热量如何在周围介质中缓慢扩散，这些过程共同决定了速度和成像锐度的基本限制。

将热量转化为对比度

综述介绍了多种巧妙方法来把那些微小的温度变化转化为可见对比。在一些设置中，受热区域短暂充当一个透镜，稍微聚焦或散焦探测光束。另一些情况下，热量改变了颗粒对光的散射强度，或引起光学相位的位移——即光波的精确“时序”。还有的方法依赖温度敏感的荧光染料，其亮度随温度变化，或依赖受热区域快速膨胀产生的声波。每种机制在灵敏度、分辨率和与活体样品兼容性上各有取舍，但都基于同一基本原理：局部加热细微改变光学性质，这些变化可以读出为图像。

围绕热量构建显微镜

为利用这些效应，研究者设计出一系列显微镜。点扫描仪器使用高度聚焦的红外和可见光束在样品上移动，以亚微米分辨率和快速光谱读取构建图像。宽场系统则照亮较大区域并依赖相机，利用时序技巧分离“热”帧与“冷”帧，以便用相对较慢的传感器捕捉纳秒尺度的加热信号。断层成像方案增加多个观察角度和高级计算来重建三维化学图谱。综述还解释了光源选择、聚焦几何和检测电子学如何在灵敏度、速度与对活体样本的温和性之间取得平衡。

追踪细胞、材料和环境中的化学过程

由于光热信号与特定的分子振动相关，这些显微镜能够同时区分多种化学物质。作者综述的应用涵盖从追踪微生物代谢和药物反应，到观察单个细胞中的酶活性与脂质储存，再到绘制与神经退行性疾病相关的蛋白质聚集体结构。在组织中，该技术支持无标记的“虚拟染色”用于病理学和对骨、脑及肿瘤的高分辨率研究。生物学之外，它能揭示钙钛矿太阳能电池、电池界面、催化剂、药物以及梵高名画中颜料的纳米级结构。环境科学家利用它识别水体和土壤中的微纳米塑料、气溶胶和污染物，因为它能够在复杂混合物中识别到数百纳米尺度的聚合物和污染物。

新的视窗与未来方向

综述还介绍了在不同波长下工作的较新变体。受激拉曼光热显微镜使用近红外光间接激发振动，产生更强的热信号同时保持较低的光学噪声。短波红外光热成像进一步延伸到更深的组织，实现毫米级穿透同时仍能分辨细胞尺度结构。展望未来，作者预见到更快的成像、更高的分辨率（由计算方法和定制光束形状辅助实现），甚至扩展到如X射线和太赫兹波等光谱区域。他们强调了在临床诊断中的前景——例如快速抗菌药物检测、改进的癌症切缘识别和无创代谢监测——同时指出需要控制加热以保障活体系统的安全。归根结底，这个领域正在学会通过“听”热量来读取化学信息，把光吸收的普遍副作用变成观察分子世界的强大、无标记窗口。

引用: Jiaze Yin, Pin-Tian Lyu, Rylie Bolarinho, Yifan Zhu, Xiaowei Ge, Hongli Ni, and Ji-Xin Cheng, "Vibrational photothermal imaging: theory, instrumentation, and applications," Optica 12, 1367-1387 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.564920

关键词: 振动光热显微镜, 中红外成像, 无标记化学成像, 分子光谱学, 生物光子学