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电话(telephone)，光话(photophone)，光声成像(photoacoustic）: 热度 9 PhenixInRocky 2016-3-20 04:52; 2016 年是电话这一人类历史上最重要的发明之一问世 140 周年。这是因为 1876 年 3 月 10 日，亚历山大 ∙ 格雷海姆 ∙ 贝尔（ AlexanderGraham Bell ， 1847-1922 ）验证了他发明的电话。据说贝尔对着电话筒同另一端的搭档说第一句话是，“沃森先生，来这里，我想见你（ Mr. Watson, come here, I want to see you ）” 今天，人们普遍把贝尔作为电话的发明人。而事实上，电话的发明是从久远的古代起许多发明家、工程师共同努力的结果。即使是尝试和今天想近的原理的人们也不止贝尔一个。围绕这一争议的讨论非常多。本文的目的不是厘清这一争议。而是讲述另一个有趣的故事，介绍一个电话发明过程中的 “ 副产品 ” 技术 —— 光声效应（ Photoacousticeffect ）。下面这张图片是华盛顿圣路易斯大学工学院的研究者获得的一幅小鼠耳部黑色素瘤周围的毛细血管图像，其分比率在微米级别。左边图片中的彩色对比度显示了血管在组织中的深度。右图中为肿瘤图像，下图是两条血管中的血液的氧饱和度（ SO2 ）。你会觉得这漂亮的图片会和电话又什么关联吗？小鼠耳部和黑色素瘤血管成像（ http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-48/issue-03/features/deep-down-and-label-free-bioimaging-with-photoacoustics.html。 Photo courtesy of Dr. Lihong V. Wang ）广泛使用的电话机的原理今天已经为大众熟知：电话机的接收器 —— 话筒，接收由于人声产生的机械振动信号，并将其转化为电流信号。电信号被传送至另一端，再次被转化接听人能听到的机械振动信号。发明家们很早就意识到，要想实现声音的远距离传输，必须依靠某种能量载体 —— 比如这里的电流。除了用电，贝尔还曾经考虑利用其它的能量，比如随处可见的，光。这种装置被称作 photophone ，直译过来，和电话（ telephone ）类似，就是“光话”。是不是听起来有点儿疯狂？贝尔发明的“光话”装置原理图上面这张图是出现在贝尔学术论文里的“光话”装置。这种装置利用的是太阳光。上图左边的人是声音的发送者。他的面前是一面镜子，用来将阳光反射至右边的接听者。在镜子与太阳之间，还有光学装置——一组透镜，用来将原本朝着各个方向传播、并且发散的的太阳光校准成近似不发散的平行光束，便于使用。镜子的背面，连接着一个阔口的话筒。画面右边的接听者，手持一个听筒，对准迎面射来的太阳光。听筒的内部被涂成对光线吸收能力较强的深颜色。这个装置看起来很简单，有些让人摸不着头脑。但奇妙地是，当左边的人讲话的时候，在另一端的接听这居然可以听到他（她）的声音。就这样，光束，居然能“带着”声音从讲话者那里，跑到听筒的一端。这个装置的工作原理是什么？贝尔当时推断，实际上声音并不是被阳光“带”到了接听者的一方，而是在他那里被“复原”了出来。他的推断是正确的。利用今天的知识我们知道，这种而声音的复原，是基于听筒对于光的吸收作用。左边的人对着话筒说话，他的声音使得空气发生振动，进而引起镜面发生振动。这种振动导致在接听方，光线被快速的“打断”，或者接通，形成光的“脉冲”。而瞬时的光吸收导致听筒里材料的分子发生瞬时膨胀，产生了与光“脉冲”频率相关联的机械波，进而传到到接听者的耳朵里。贝尔针对这一技术反复进行了实验，印证了被反复、快速阻断的光线照射在深颜色的物质上，能够产生声音的现象 —— 光声效应（ photoacousticeffect ）。 Photoacoustic 这个词，由 Photo （光）和 Acoustic （声）组成，简单又贴切。贝尔教授就这一效应，撰写了学术论文，于 1880 年和 1881 年发表在《美国科学杂志（ AmericanJournal of Sciences ）》，和《哲学杂志（ Philosophical Magazine Series ）》上。不过这种通讯技术最终还是没有能够被采纳，因为它的弊端显而易见：不仅传播声音的效果差，而且受太多环境制约的影响。他们所能成功的最长传播距离仅仅 800 多米，因为在当时光传播的条件太过苛刻：不能被遮挡。别说雨雪冰雹，就是阴着天刮个小风，也会然这个装置失效。于是，这个技术在当时唯一贡献，就是让贝尔教授多发表了两篇论文。这两篇论文随即成为“睡美人”论文。也有一些其他的学者对此感兴趣，比如伦琴和英国物理学家约翰 ∙ 坦德尔。但由于实验条件的限制，他们的实验精度很差，最终也不得不放弃了相关的工作。在此后的半个世纪里，这个有趣的技术逐渐被人们遗忘，大概没有多少人关注过他们的研究。直到上个世纪 60 年代之后，激光技术使人们能够精确地得到干净、可靠、可控（时间、空间）且能量足够高的光源，带动了一大批研究领域的飞速发展。光声技术又 “ 复活 ” 了。亚历山大 ∙ 奥利弗斯基（ Alexander Oraevsky ）博士是最早进行生物医学光声成像技术的科学家之一。上世纪 80 年代，亚历山大在莫斯科苏联科学院从事利用激光去除生物组织的研究工作。在实验过程中，他发现被激光脉冲照射的软组织周围出现了超声波，于是继续研究这一有趣的现象。从此，利用接收到的超声波对生物体组织成像的方法出现了。今天的光声成像技术里，通常会用时长为纳秒级别的激光脉冲照射到生物体。在光线所达之处，生物组织由于瞬时受热，吸收的光能导致生物体局部温度瞬时上升，并导致其发生瞬间膨胀，产生频率在超声波范围的机械波。与所有的成像技术一样，人们接受到这种与生物体发生了互动（ interactions ）的波动之后，利用各种技术反推回去，可以“猜想”生物体内部的结构或者功能信息，实现内部信息的“可视化”，从而看到这些信息。作为一种“混搭”的技术，光声成像与光学技术和声学技术相比结合了两者的优势。它可以获得比声学方法更高的分辨率，又能为人们提供成像对象光学性质的空间分布。更为重要的是，由于要接收的信息载体——超声在软组织中的散射比光子低了几个数量级，这种成像方法与传统的光学方法相比，在获得较高的空间分辨率的同时，可以达到更深的穿透深度。这种技术还有一个重要的优势，就是能够利用对光的汇聚实现不同穿透深度及分辨率的多尺度成像，实现不同分辨率上的可视化。到今天，光声技术已经是一个很大的研究领域。研究者遍布北美、欧洲和亚洲。如今该领域里每年文献发表数量已经是上世纪 80 年代的十倍以上。除了继续在基础研究中发挥作用，许多研究人员的努力方向已经朝着临床应用的方向在努力。潜在的应用方向包括（不局限于）：癌症的检测，脑部成像，淋巴及神经系统成像，组织切片成像，治疗效果监测（光动力学、热疗），血流，血氧饱和度检测等等。当然，任何一种工程技术手段都有它的局限性。即便如此，光声技术依然在今天的先进成像技术里占有重要的位置。也许不久的将来，这种发端于电话的发明的有趣技术，会广泛地出现在临床应用里。 References: Bell, A. G. (1880). On the production and reproductionof sound by light. American Journal of Science (118): 305. Bell, A. G. (1881). LXVIII.Upon the production ofsound by radiant energy. Philosophical Magazine Series 5 11 (71):510. Photoacoustic imaging, the sound of light, Economist, 2009. Photo acoustic tomography, Lihong Wang (2014), Scholarpedia, 9(2):10278.; 个人分类: 科普文章|12881 次阅读|16 个评论

光声和光热光谱开启植物学研究新篇章: 热度 10 gaojianguo 2012-1-6 08:47; Photoacoustic and photothermal spectroscopy open a new chapter of botanical research 初次结识光声光热光谱（ photoacoustic and photothermal spectroscopy ）是由于一篇 PNAS 论文，美国学者 Khodakovskaya 等证实了多壁碳纳米管（ MCNT ）对番茄生长的影响的分子假设，他们发现多壁碳纳米管处理的植株叶片和根的光声和光热的信噪比较大，信号强度大。在 “ Complex genetic , photothermal , and photoacoustic analysis of nanoparticle-plant interactions ” 的文章中，作者使用了拉曼光谱、光声和光热光谱、分子生物学等手段验证了他们 2009 年在 ACS Nano 的设想，那篇 2009 年的文章报道的同样是碳纳米管对番茄生长的影响，当时他们发现碳纳米管能够显著的促进植株的生长，推测与水通道基因的表达上调有关，但没有实证。经过两年的积累，他们证明了之前的假设是正确的，碳纳米管能够显著上调与病原菌、水通道和其它逆境相关基因的表达。这些与逆境相关基因表达上调了，植物的生物量增大了，看来植物在逆境中也比较容易 “ 成才 ” 。两年多的研究发了 PNAS ，总体上应该说是一项比较圆满的试验结果。纳米材料对环境和人体潜在风险的影响的研究最近几年非常火热，对植物体生长的影响的研究还很少涉及，主要是因为这是一门交叉性比较强的学科，既要有植物生物学知识，还要了解材料化学的东西。从目前的报道来看，纳米材料（包括碳纳米管、金属纳米粒子和金属氧化物纳米粒子等）对植物生长的影响出现了相互矛盾的结果，有的是促进的，而有的没有影响或者抑制生长的。到底是怎么个情况，需要更多的研究或者有牛人来个荟萃分析，当然这些都不是本文的重点。回到之前的话题，为什么光声光热光谱开启了植物学研究的新篇章？光声光热技术普遍应用于物理、化学和生物医学研究领域，由于快速无损且能够获得大量有价值的信息，优于一般的光谱分析方法，但这种方法用于植物学的研究还很少报道。它能够对植物活体完整测定，如有人对单瓣的兰花人为摘取花粉之后，可观察到植株较快的产生乙烯，并使兰花花瓣发生枯萎采用的就是光声光谱法。相比于叶绿素荧光技术，它能够直接测定植株的光热效应，即有多少光能转化为非辐射的热耗散。这些都是光声光热光谱的特性。光声光热光谱技术基于光声效应（ photoacoustic effect ）。光声效应是指当光照射到密闭容器的样品时，容器内产生声波，而这种声波来源于物体所吸收的光谱线，是 Bell 首先在 1880 发现的现象。之后的一百多年，光声光热光谱的研究基本处于停滞状态，直到 Rosencwaig 建立固体光声 RG 理论。中科院上海硅酸盐研究所的殷庆瑞研究员发明了世界领先的扫描电声显微镜，从而使这项技术普遍化和更加实用。引以为傲的是，殷庆瑞老师的电声显微镜还能够出口到国外，帮助世界上的同行进行基础研究，是我国自主研发、为数不多研制成功且商业化的科学仪器。光声光热技术用于植物学的研究，现在还比较少，中科院植物所的樊大勇等人发表了若干篇研究论文。前几天在《安徽农业科学》看到湛江师范学院副教授列光华等发表的 “ 菠萝树叶光声层析光谱及其光合作用效率的研究 ” 的论文，他们认为自制的光声池可以用于研究植物的光合作用。光声池是光声光谱仪检测装置的核心部件。秦璨等最近综述了适用于植物光合作用的光声池设计的研究进展，他们认为光声光镍操控检测的光声池、光声显微成像亚表面检测光声池、固体傅里叶变换红外光声谱检测光声池和光声拉曼显微检测光声池等是新型光声池设计的重点进展方向。最近一直在看殷庆瑞研究员等人的专著《光声光热技术及其应用》，感觉很吃力！未来植物学的研究交叉学科的东西会越来越多，如上段提到的几种新型光声池设计的研究，我基本上连最起码的概念都不懂，感觉需要学习的东西简直太多了！如果对新知识、新技术和新方法没有敏锐的洞察力和学习能力，要不几年，看发表的新论文就有可能看不懂，这是一点都不含糊的。期待光声光热技术在植物科学的研究中大放异彩。参考文献：列光华 , 列淦文 , 何小宁 . 菠萝树叶光声层析光谱及其光合作用效率的研究 . 安徽农业科学 , 2011 , 39(12): 6934-6935,6946. 秦璨 , 卢荣德 , 王庆飞 , 等 . 适用于植物光合作用的光声池设计研究进展 . 激光生物学报 , 2011 , 20(5): 569-574. Khodakovskaya MV, de Silva K, Nedosekin DA, et al. Complex genetic, photothermal, and photoacoustic analysis of nanoparticle-plant interactions. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 , 108(3):1028-1033. 殷庆瑞 , 王通 , 钱梦碌 . 光声光热技术及其应用 . 北京 : 科学出版社 , 1991. 樊大勇 , 高荣孚 . 植物暗适应叶的放氧动力学 (Ⅰ) -- 光声放氧动力学 . 北京林业大学学报 , 2001, 23(2): 7-11. 聂琴 , 樊大勇 , 高文容 . 光声光谱技术在光合作用研究中的应用 . 广西科学 , 2004, 11(1): 61-68. 聂琴 , 樊大勇 . 暗适应叶光诱导期间出现的光声瞬态研究初报 . 中国农学通报 , 2006, 22(5): 228-233. 聂琴 , 樊大勇 , 韩涛 . 利用光声光谱仪研究植物材料不同层次组织的光吸收光谱 . 石河子大学学报（自然科学版） , 2007, 25(6): 737-740.; 个人分类: 生活点滴1|10443 次阅读|26 个评论

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