基于近红外二区光声偏振增强光学旋转传感的深组织手性分子检测新方法

《SCIENCE ADVANCES》：Deep tissue sensing of chiral molecules using polarization-enhanced photoacoustics

本研究针对传统手性分子检测技术在深组织检测中的局限性，提出了一种基于近红外二区（NIR-II）光声偏振增强光学旋转传感（PAPEORS）的新方法，实现了深至3.5 mm组织的手性分子浓度检测，为体内手性分子传感提供了新思路。

　　手性分子在自然界中广泛存在，并在许多有机和无机物质的性质中起着关键作用。然而，传统用于手性分子检测的方法，如色谱法、电泳法、质谱法等，大多依赖于对体液的分析，难以实现体内检测，且在深组织检测中受到光散射等因素的限制。为了解决这一问题，国内某研究机构的研究人员提出了一种基于近红外二区（NIR-II）光声偏振增强光学旋转传感（PAPEORS）的新方法，用于深组织的手性分子检测。该方法利用光声效应和偏振光的特性，通过检测光声信号来估计光学旋转，并将其与手性分子浓度相关联，实现了对深至3.5 mm组织中手性分子浓度的检测。该研究不仅为体内手性分子传感提供了一种新的技术手段，还展示了其在非侵入性检测和实时监测方面的巨大潜力，有望在生物医学领域得到广泛应用。论文发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为相关领域的研究者提供了重要的参考。

研究人员采用的关键技术方法包括：利用近红外二区（NIR-II）光源激发样品产生光声信号；通过改变入射光的偏振状态（垂直偏振、45°线性偏振和圆偏振）来研究其对手性分子光学旋转的影响；基于光声信号的时间序列数据，通过去卷积等处理方法提取光学旋转信息；结合二次回归模型对检测到的光学旋转进行浓度预测。

研究背景与意义

手性分子在生物体内具有重要的生理功能，例如蛋白质、氨基酸、各种糖类和乳酸等都具有手性中心，能够使偏振光的偏振面发生旋转。许多药物也表现出手性特性，如氯胺酮、类固醇和β受体阻滞剂等。然而，传统检测手性分子的方法大多依赖于对体液的分析，难以实现体内检测，且在深组织检测中受到光散射等因素的限制。为了解决这一问题，研究人员提出了一种基于近红外二区（NIR-II）光声偏振增强光学旋转传感（PAPEORS）的新方法，用于深组织的手性分子检测。

研究方法

研究人员设计了一个光声偏振增强光学旋转传感（PAPEORS）系统，能够在近红外二区（NIR-II）窗口工作，利用光声效应和偏振光的特性，通过检测光声信号来估计光学旋转，并将其与手性分子浓度相关联。实验中，研究人员使用了葡萄糖和萘普生（一种非甾体抗炎药）作为模型手性分子，分别在水溶液和牛血清白蛋白（BSA）溶液中进行检测。实验结果显示，PAPEORS系统能够实现对深至3.5 mm组织中手性分子浓度的检测，检测限低至80 mg/dl（使用圆偏振光和血清样本时）。

实验结果

葡萄糖旋转估计

研究人员通过PAPEORS系统对不同浓度的葡萄糖溶液进行了检测，发现在垂直偏振光（V）、45°线性偏振光（P）和圆偏振光（R）的照射下，光声信号的幅度和光学旋转角度随葡萄糖浓度的增加而变化。实验结果显示，圆偏振光（R）照射下，光声信号的信噪比最高，且检测限最低（80 mg/dl）。通过二次回归模型对光学旋转角度与葡萄糖浓度的关系进行拟合，研究人员能够准确预测葡萄糖浓度。

光声光谱分析

研究人员还对葡萄糖溶液进行了光声光谱分析，发现在1500 nm处出现了葡萄糖的吸收峰。然而，随着检测深度的增加，光声信号与葡萄糖浓度之间的线性关系逐渐减弱，这可能是由于光在组织中的衰减和散射导致的。因此，研究人员提出PAPEORS系统能够在单波长下实现深组织的手性分子检测，避免了光声光谱分析在深组织检测中的非线性问题。

深组织检测

为了验证PAPEORS系统在深组织检测中的性能，研究人员进行了体外实验，使用鸡胸组织切片模拟体内环境。实验结果显示，PAPEORS系统能够在2 mm和3.5 mm的深度处准确检测到葡萄糖浓度，且检测限分别为91 mg/dl和90 mg/dl。此外，研究人员还研究了皮肤层对手性分子检测的影响，发现即使在有皮肤层的情况下，PAPEORS系统仍能够准确检测到葡萄糖浓度。

萘普生检测

研究人员还对萘普生进行了检测，发现其在1500 nm处也表现出明显的光学旋转。实验结果显示，萘普生的光学旋转角度随浓度的增加而线性增加，研究人员通过线性回归模型对其浓度进行了预测，预测结果与实际浓度高度一致。

结论与讨论

PAPEORS系统为深组织手性分子检测提供了一种新的技术手段，具有检测限低、信噪比高、能够实现单波长检测等优点。该系统不仅能够准确检测到深至3.5 mm组织中的葡萄糖和萘普生浓度，还展示了其在非侵入性检测和实时监测方面的巨大潜力。此外，PAPEORS系统还具有易于小型化的优势，有望在生物医学领域得到广泛应用。然而，该系统仍存在一些局限性，例如在体内检测中的可靠性和准确性仍需进一步验证，且目前仅对手性分子进行了单一组分的检测，对于复杂生物样品中多种手性分子的同时检测仍面临挑战。未来的研究将致力于解决这些问题，并进一步优化PAPEORS系统，以实现其在临床诊断和疾病监测中的实际应用。