OEA封面|以压印技术制作的高品质聚合物微环谐振器阵列能够呈现高分辨率光声断层扫描图像
OEA封面 | 以压印技术制作的高品质聚合物微环谐振器阵列能够呈现高分辨率光声断层扫描图像
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美国密歇根大学Xueding Wang、Guan Xu和L. Jay Guo三位教授领衔的工程师团队开发出一种新型成像传感器 ， 由40多个聚合物“ 微环 ”组成显微阵列 ，成功捕捉到极其精细的生物组织图像。
封 面 文 章 | Kim H, Lin WK, Ni LY et al. Imprinted high-Q polymer micro-ring resonator array for high-resolution photoacoustic tomography. Opto-Electron A dv 9, 250215 (2026).
第一作者： Hyeonwoo Kim
通信作者 ：Xueding Wang、Guan Xu和L. Jay Guo
研究背景
近年来， 生物医学成像技术取得了长足进步， 显著提升了我们观察体内生物结构的能力。然而 ，诸多成像技术仍旧难以兼顾分辨率、灵敏度、成像深度与功能对比度。光声断层扫描作为一种新兴的混合成像模式， 融合了光学对比度与超声成像的双重优势， 因而备受瞩目。该技术通过短脉冲激光激发组织吸光产生超声波 ，从而能够在纯光学技术无法企及的深度下， 揭示光吸收对比度 。 这一特性使其在癌症检测等应用中极具吸引力， 因为血管密度、血红蛋白浓度及组织架构的变化 ，正是癌症诊断的关键指标。
尽管前景广阔 ，但光声断层扫描在临床上的广泛普及 ，很大程度上取决于超声检测技术的性能与可扩展性。传统超声换能器多基于压电材料 ，这在带宽、微型化及集成密度方面造成了不便。相比之下， 以微环谐振器为代表的光学超声传感器作为一种替代方案应运而生 ，其具备高灵敏度、宽频带， 以及与光子集成兼容等显著优势。然而 ，如何将此类光学传感器扩展为性能一致的大规模阵列 ，至今仍是一项严峻的技术挑战。
研究内容
美国密歇根大学Xueding Wang、 Guan Xu和L. Jay Guo三位教授领衔的工程师团队
开发出一种新型成像传感器， 由40多个聚合物“微环 ”组成显微阵列 ，成功捕捉到极其精细 的 生 物 组 织 图 像 。 该 工 作 以 “Imprinted high-Q polymer micro-ring resonator array for high-resolution photoacoustic tomography” 为题 ，作为封面文章发表在Opto-Electronic Advances 2026年第6期。
该传感器配合 光声断层扫描（PAT） 技术 ，其成像过程如下：
1）激光脉冲 ： 系统向生物组织发射持续时间极短的激光闪光。
2） 热膨胀 ： 血细胞内的血红蛋白等组织结构吸收光能 ，温度小幅升高 ，并因此迅速膨胀。
3）声波产生 ： 这种快速膨胀产生微小的超声波。
4）信号检测 ： 用于感知声波的并非常规的压电传感器 ，而是微型聚合物“ 圆环 ”， 它们能够根据这些信号构建出生物组织的光声图像。
常规超声检查大多只显示出器官的“轮廓 ”或形状 ，而这种全新的光声结合方法能观察到组织内部的情况。 它可以追踪氧含量、血流， 以及血管密度等技术指标 ，有助于医生发现癌变的早期征兆。
关键突破
· 极致精细 ： 该传感器灵敏度极高 ，可分辨38 μm的结构 ，大致相当于我们头发宽度的一半。
· 精准判断 ： 在小鼠组织测试中 ，该系统通过观测血管生成的变化 ，成功区分了小鼠前列腺中的健康区域与癌变区域。
· 易于制造 ： 研究人员采用纳米压印光刻技术 ，将传感器“压印”到基底表面。这种方法降低了传感器的制造成本 ，并使其具有柔韧性 ，大规模生产也很容易实现。
研究团队引入的聚合物微环谐振器阵列（超过40个单元） 采用纳米压印光刻技术制造而成。作为一种可扩展且极具成本优势的纳米加工工艺 ，纳米压印光刻能够在较大的面积上制备纳米级特征结构。研究团队通过在纳米尺度上精确调控每个微环谐振器的半径 ，成功在极窄的频率窗口内实现了多个可分辨的谐振点。这种精细的控制使得构建高密度光学传感器阵列成为可能， 同时保持了高光学品质因数 ，而这对于实现高灵敏度的超声探测至关重要。
将该微环阵列集成至光声断层扫描系统时 ，其展现出超过170 MHz的超宽声学探测 ，并实现了只有数十微米的精细空间分辨率。 因为高频声学分量对应于更微小组织结构的信息 ，所以带宽越大 ，可采集到的信息也越丰富。在实际演示中 ，该系统被用于对离体小
鼠前列腺组织进行成像 。所得图像与已知的生物结构（包括血管区域） 高度吻合 。 此外 ，通过对光声信号进行频谱分析 ，研究人员得以区分正常与癌变的前列腺组织 ，这表明该平台在功能性及病理性组织评估方面颇具应用潜力。
除即时成像成果外 ，该研究的更深远意义在于， 它验证了一种可扩展的高性能光声阵列制造策略。聚合物材料的应用不仅赋予了系统额外的柔韧性 ，也为其集成至紧凑型光子系统提供了可能。与传统制造工艺相比 ，纳米压印光刻术为传感器阵列的低成本大规模生产开辟了一条路径 ，而这正是未来实现临床转化与广泛部署的关键前提。
置于更广阔的技术语境下 ，经由纳米压印技术制备的微环谐振器阵列 ，其应用潜力亦不止于生物医学成像； 在光通信系统与集成光子电路中 ，此类紧凑且高性能的谐振器同样是不可或缺的核心组件。通过将可扩展的纳米制造技术与先进的光学传感及成像手段相融合 ，本研究有助于新一代诊断工具的开发进程 ，让高分辨率、功能对比度， 以及易于制造成为可以兼得的特征。
研究团队简介
美国密歇根大学Xueding Wang教授领衔的光学成像实验室 ， 致力于推动光学与超声成像技术在生物医学领域的应用 。 其中 ，光声成像尤为引人注目： 该技术融合光与声 ， 实现了对深层生物样本的高灵敏度 、 高分辨率成像 ，在类风湿性关节炎 、 乳腺癌 、 前列腺癌 、肝病 、 眼疾 、肠道疾病 、膀胱癌及脑部疾病等病症的诊断方面前景广阔 。 此外 ， 该实验室还探索基于金或有机水凝胶等材料的纳米颗粒制剂 ， 用以增强诊断成像效果或实现药物递送 。 除成像研究外 ， 团队正深入研究创新疗法 ，例如利用光与超声协同作用的超声增强光机械疗法。
由Guan Xu教授执掌的生物医学成像与生物力学实验室 ，是密歇根大学与凯洛格眼科中心旗下的一支研究团队 。 该实验室致力于将前沿的光学 、 超声及光声成像技术 ， 连同生物力学分析手段 ，应用于疾病的机理阐释与临床诊断。
郭凌杰教授领衔的实验室则聚焦于纳米制造及光子/光电器件领域 ，并以纳米压印光刻术作为其核心通用制造工艺 。 二十余年前 ， 该实验室率先研发出聚合物微环超声探测器 ， 此后其性能持续改善 。 除光声传感器与致动器外 ， 该实验室在柔性透明导体 、结构色 、 人工智能辅助设计 、 混合光伏与光电探测器 ， 以及纳米制造技术等方向亦多有建树 。 藉由这些努力 ， 该实验室不断拉近先进纳米制造与现代光子系统应用之间的距离。
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