生物光子学中的偏振分辨成像

生物光子学是研究光与生物材料(如细胞和组织)相互作用的科学领域。偏振分辨成像是一种专注于理解和分析光与生物物质相互作用时的偏振特性的技术。本文综述了偏振分辨成像及其在临床和生物医学中的应用。

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生物光子学的重要性

生物光子学涵盖了医学和生命科学中应用的所有基于光的技术。光的控制使用已经彻底改变了生活的各个方面。它是一种方便的工具，可以快速、可靠地探索细胞结构和功能，具有高精度和灵敏度。

生物光子学通过光热或光机械过程协助细胞功能的光化学修饰和组织去除。生物医学和临床应用包括:

热接触:在这种应用中，光的影响是光热的，因为高能激光产生的热量会破坏组织。在这里，通过激光的温度升高的程度和组织中的含水量决定了目标组织对激光的响应。生物成像:这是一种非侵入性成像技术，有助于实时可视化生物过程。这种成像技术有助于量化分子过程中代谢物或离子的水平。荧光共振能量转移显微镜(FRET)和双光子激发荧光显微镜(TPEF)是最新的生物成像技术，广泛应用于生物医学领域。光生物刺激:这是使用激光辐射激活生物体或活细胞的过程。由于其低功率，用于光生物刺激的激光不会产生热量或破坏生物组织。然而，它们穿透深层组织的能力促进了组织水平的植物化学固化。

光学相干断层扫描(OCT):这是一种无标签、高分辨率的光学成像技术，通常用于通过光学活检生成组织学切片图像。OCT类似于超声技术，在超声成像中光被声音取代。

光学与生物医学中的偏振光

光的基本性质包括光的强度、波长、相位和偏振。而前三个是标量(只有大小而没有方向)，极化是一个矢量，既有大小又有方向。因此，偏振的应用涉及先进的光学和计算方法。偏振光学在基础研究、材料表征、生物医学研究和临床应用等诸多研究领域取得了长足的进步。

多次散射过程改变了入射光束的偏振程度和偏振状态。虽然这种偏振的改变提供了关于生物医学样品(如细胞和组织)的深刻的结构信息，但它也可能引入预期光子特性的不确定性，阻碍了生物医学样品的准确信息分析。为此，偏振分辨成像技术可以提供更系统的信息。

生物材料偏振分辨成像

电磁波(光)与介质(如细胞或组织)之间的相互作用取决于光的偏振轴与偶极振荡轴之间的角度，即光波撞击细胞或组织的角度。因此，偏振分辨光学成像允许研究非各向同性(不规则)组织，揭示细胞和组织中的分子取向。

光波在吸收过程中是随机取向的，没有明显的偏振特征;因此，规则有序的分子结构产生双折射。这里，双折射量化参数，称为延迟，有助于量化有序分子结构的存在。从疾病诊断到光学数据存储，偏振分辨光学成像技术有着广泛的应用。

近期研究

胶原组织对维持细胞结构完整性和决定组织功能至关重要。发表在《光:科学与应用》杂志上的一篇文章强调了偏振敏感光学相干断层扫描(PSOCT)的重要性，PSOCT是一种非侵入性三维成像工具，用于绘制体内胶原组织。

PSOCT系统的多极化输入有助于可视化深层组织中的胶原组织，而使用单极化输入状态时则无法完全显示胶原组织。采用该方法在健康和梗死的啮齿动物心脏上进行离体实验，观察深度分辨心肌结构。

这项研究将有助于监测在不同时间因损伤或心脏移植物重塑引起的梗死事件的愈合反应。它还可以帮助理解许多重要的生理疾病，如心律失常的生物力学起源。

此外，该方法还被用于健康志愿者面部不同解剖位置皮肤张力线胶原蛋白的体内结构研究，表明无创PSOCT成像可与其他美容手术相结合，以提高对比和诊断能力。

另一项发表在《生物光子学杂志》上的研究使用双光子激发荧光(TPEF)和二次谐波产生(SHG)对15天大、1个月大和21个月大的5 μm厚皮肤石蜡切片进行了研究，以研究胶原蛋白的生物光子特性，胶原蛋白是皮肤的主要成分，随着年龄的增长而变化。

偏振分辨SHG (PSHG)图像显示大鼠胶原纤维随年龄的变化，这与光镜和电镜结果一致。这项研究表明，由于氧化应激等过程的损伤，胶原蛋白结构的细微变化可以用这种技术检测出来。

偏振分辨成像是生物光子学领域的一种变革性工具。这有助于解决以前未解决的生物组织的复杂性。它能够根据光波与生物材料相互作用时的行为识别细微的结构差异，这为生物医学研究开辟了新的途径。分析偏振光与生物材料相互作用时的特性，可以揭示大量的知识，阐明分子、组织和细胞的内部机制。

偏振分辨成像通过帮助理解衰老过程中胶原纤维的微小变化和识别暗示疾病的微小变化，为早期和更精确的诊断提供了一条途径。它实时揭示组织组成和分子取向的能力提高了我们对生物系统的理解，并为创造性治疗方法创造了新的机会。

技术和方法的进一步进步无疑将增加偏振分辨成像的范围和精度。将这项技术与其他模式相结合，可以彻底改变医学成像，并有可能带来更个性化和更有针对性的医疗解决方案。