Abstract

We demonstrate photothermal optical coherence tomography (OCT) imaging in highly scattering human breast tissue ex vivo. A 120 kHz axial scan rate, swept-source phase-sensitive OCT system at 1300 nm was used to detect phase changes induced by 830 nm photothermal excitation of gold nanoshells. Localized phase modulation was observed 300600μm deep in scattering tissue using an excitation power of only 22 mW at modulation frequencies up to 20 kHz. This technique enables integrated structural and molecular-targeted imaging for cancer markers using nanoshells.

© 2010 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. T. M. Lee, A. L. Oldenburg, S. Sitafalwalla, D. L. Marks, W. Luo, F. J. J. Toublan, K. S. Suslick, and S. A. Boppart, Opt. Lett. 28, 1546 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. A. L. Oldenburg, J. R. Gunther, and S. A. Boppart, Opt. Lett. 30, 747 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. C. Loo, A. Lin, L. Hirsch, M. H. Lee, J. Barton, N. Halas, J. West, and R. Drezek, Technol. Cancer Res. Treat. 3, 33 (2004).
    [PubMed]
  5. H. Cang, T. Sun, Z. Y. Li, J. Y. Chen, B. J. Wiley, Y. N. Xia, and X. D. Li, Opt. Lett. 30, 3048 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. A. Agrawal, S. Huang, A. W. H. Lin, M. H. Lee, J. K. Barton, R. A. Drezek, and T. J. Pfefer, J. Biomed. Opt. 11, 041121 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. A. L. Oldenburg, M. N. Hansen, D. A. Zweifel, A. Wei, and S. A. Boppart, Opt. Express 14, 6724 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. J. Oh, M. D. Feldman, J. Kim, H. W. Kang, P. Sanghi, and T. E. Milner, Lasers Surg. Med. 39, 266 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. D. C. Adler, S. W. Huang, R. Huber, and J. G. Fujimoto, Opt. Express 16, 4376 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. M. C. Skala, M. J. Crow, A. Wax, and J. A. Izatt, Nano Lett. 8, 3461 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
    [PubMed]
  12. D. P. O'Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. 209, 171 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. X. H. Huang, P. K. Jain, I. H. El-Sayed, and M. A. El-Sayed, Nanomedicine 2, 681 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. X. M. Yang, Radiology 243, 340 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
    [CrossRef]

2008 (2)

2007 (3)

X. H. Huang, P. K. Jain, I. H. El-Sayed, and M. A. El-Sayed, Nanomedicine 2, 681 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

X. M. Yang, Radiology 243, 340 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

J. Oh, M. D. Feldman, J. Kim, H. W. Kang, P. Sanghi, and T. E. Milner, Lasers Surg. Med. 39, 266 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

2006 (2)

A. Agrawal, S. Huang, A. W. H. Lin, M. H. Lee, J. K. Barton, R. A. Drezek, and T. J. Pfefer, J. Biomed. Opt. 11, 041121 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

A. L. Oldenburg, M. N. Hansen, D. A. Zweifel, A. Wei, and S. A. Boppart, Opt. Express 14, 6724 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

2005 (2)

2004 (2)

C. Loo, A. Lin, L. Hirsch, M. H. Lee, J. Barton, N. Halas, J. West, and R. Drezek, Technol. Cancer Res. Treat. 3, 33 (2004).
[PubMed]

D. P. O'Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. 209, 171 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

2003 (2)

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

T. M. Lee, A. L. Oldenburg, S. Sitafalwalla, D. L. Marks, W. Luo, F. J. J. Toublan, K. S. Suslick, and S. A. Boppart, Opt. Lett. 28, 1546 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

1999 (1)

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

1991 (1)

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Aaron, J.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Adler, D. C.

Agrawal, A.

A. Agrawal, S. Huang, A. W. H. Lin, M. H. Lee, J. K. Barton, R. A. Drezek, and T. J. Pfefer, J. Biomed. Opt. 11, 041121 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Barton, J.

C. Loo, A. Lin, L. Hirsch, M. H. Lee, J. Barton, N. Halas, J. West, and R. Drezek, Technol. Cancer Res. Treat. 3, 33 (2004).
[PubMed]

Barton, J. K.

A. Agrawal, S. Huang, A. W. H. Lin, M. H. Lee, J. K. Barton, R. A. Drezek, and T. J. Pfefer, J. Biomed. Opt. 11, 041121 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Boppart, S. A.

Cang, H.

Chang, W.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Chen, J. Y.

Crow, M. J.

M. C. Skala, M. J. Crow, A. Wax, and J. A. Izatt, Nano Lett. 8, 3461 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Drezek, R.

C. Loo, A. Lin, L. Hirsch, M. H. Lee, J. Barton, N. Halas, J. West, and R. Drezek, Technol. Cancer Res. Treat. 3, 33 (2004).
[PubMed]

Drezek, R. A.

A. Agrawal, S. Huang, A. W. H. Lin, M. H. Lee, J. K. Barton, R. A. Drezek, and T. J. Pfefer, J. Biomed. Opt. 11, 041121 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

El-Sayed, I. H.

X. H. Huang, P. K. Jain, I. H. El-Sayed, and M. A. El-Sayed, Nanomedicine 2, 681 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

El-Sayed, M. A.

X. H. Huang, P. K. Jain, I. H. El-Sayed, and M. A. El-Sayed, Nanomedicine 2, 681 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Feldman, M. D.

J. Oh, M. D. Feldman, J. Kim, H. W. Kang, P. Sanghi, and T. E. Milner, Lasers Surg. Med. 39, 266 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Flotte, T.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Follen, M.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Fujimoto, J. G.

D. C. Adler, S. W. Huang, R. Huber, and J. G. Fujimoto, Opt. Express 16, 4376 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Gregory, K.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Gunther, J. R.

Halas, N.

C. Loo, A. Lin, L. Hirsch, M. H. Lee, J. Barton, N. Halas, J. West, and R. Drezek, Technol. Cancer Res. Treat. 3, 33 (2004).
[PubMed]

Halas, N. J.

D. P. O'Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. 209, 171 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

Hansen, M. N.

Hee, M. R.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Hirsch, L.

C. Loo, A. Lin, L. Hirsch, M. H. Lee, J. Barton, N. Halas, J. West, and R. Drezek, Technol. Cancer Res. Treat. 3, 33 (2004).
[PubMed]

Hirsch, L. R.

D. P. O'Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. 209, 171 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Huang, D.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Huang, S.

A. Agrawal, S. Huang, A. W. H. Lin, M. H. Lee, J. K. Barton, R. A. Drezek, and T. J. Pfefer, J. Biomed. Opt. 11, 041121 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Huang, S. W.

Huang, X. H.

X. H. Huang, P. K. Jain, I. H. El-Sayed, and M. A. El-Sayed, Nanomedicine 2, 681 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Huber, R.

Izatt, J. A.

M. C. Skala, M. J. Crow, A. Wax, and J. A. Izatt, Nano Lett. 8, 3461 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Jackson, J. B.

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

Jain, P. K.

X. H. Huang, P. K. Jain, I. H. El-Sayed, and M. A. El-Sayed, Nanomedicine 2, 681 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Kang, H. W.

J. Oh, M. D. Feldman, J. Kim, H. W. Kang, P. Sanghi, and T. E. Milner, Lasers Surg. Med. 39, 266 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Kim, J.

J. Oh, M. D. Feldman, J. Kim, H. W. Kang, P. Sanghi, and T. E. Milner, Lasers Surg. Med. 39, 266 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Lee, M. H.

A. Agrawal, S. Huang, A. W. H. Lin, M. H. Lee, J. K. Barton, R. A. Drezek, and T. J. Pfefer, J. Biomed. Opt. 11, 041121 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

C. Loo, A. Lin, L. Hirsch, M. H. Lee, J. Barton, N. Halas, J. West, and R. Drezek, Technol. Cancer Res. Treat. 3, 33 (2004).
[PubMed]

Lee, T. M.

Li, X. D.

Li, Z. Y.

Lin, A.

C. Loo, A. Lin, L. Hirsch, M. H. Lee, J. Barton, N. Halas, J. West, and R. Drezek, Technol. Cancer Res. Treat. 3, 33 (2004).
[PubMed]

Lin, A. W. H.

A. Agrawal, S. Huang, A. W. H. Lin, M. H. Lee, J. K. Barton, R. A. Drezek, and T. J. Pfefer, J. Biomed. Opt. 11, 041121 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Lin, C. P.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Loo, C.

C. Loo, A. Lin, L. Hirsch, M. H. Lee, J. Barton, N. Halas, J. West, and R. Drezek, Technol. Cancer Res. Treat. 3, 33 (2004).
[PubMed]

Lotan, R.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Luo, W.

Malpica, A.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Marks, D. L.

Milner, T. E.

J. Oh, M. D. Feldman, J. Kim, H. W. Kang, P. Sanghi, and T. E. Milner, Lasers Surg. Med. 39, 266 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Oh, J.

J. Oh, M. D. Feldman, J. Kim, H. W. Kang, P. Sanghi, and T. E. Milner, Lasers Surg. Med. 39, 266 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Oldenburg, A. L.

Oldenburg, S. J.

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

O'Neal, D. P.

D. P. O'Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. 209, 171 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Pavlova, I.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Payne, J. D.

D. P. O'Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. 209, 171 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Pfefer, T. J.

A. Agrawal, S. Huang, A. W. H. Lin, M. H. Lee, J. K. Barton, R. A. Drezek, and T. J. Pfefer, J. Biomed. Opt. 11, 041121 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Puliafito, C. A.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Richards-Kortum, R.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Sanghi, P.

J. Oh, M. D. Feldman, J. Kim, H. W. Kang, P. Sanghi, and T. E. Milner, Lasers Surg. Med. 39, 266 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Schuman, J. S.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Sitafalwalla, S.

Skala, M. C.

M. C. Skala, M. J. Crow, A. Wax, and J. A. Izatt, Nano Lett. 8, 3461 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Sokolov, K.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Stinson, W. G.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Sun, T.

Suslick, K. S.

Swanson, E. A.

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Toublan, F. J. J.

Wax, A.

M. C. Skala, M. J. Crow, A. Wax, and J. A. Izatt, Nano Lett. 8, 3461 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Wei, A.

West, J.

C. Loo, A. Lin, L. Hirsch, M. H. Lee, J. Barton, N. Halas, J. West, and R. Drezek, Technol. Cancer Res. Treat. 3, 33 (2004).
[PubMed]

West, J. L.

D. P. O'Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. 209, 171 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Westcott, S. L.

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

Wiley, B. J.

Xia, Y. N.

Yang, X. M.

X. M. Yang, Radiology 243, 340 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Zweifel, D. A.

Appl. Phys. Lett. (1)

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

Cancer Lett. (1)

D. P. O'Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. 209, 171 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Cancer Res. (1)

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

J. Biomed. Opt. (1)

A. Agrawal, S. Huang, A. W. H. Lin, M. H. Lee, J. K. Barton, R. A. Drezek, and T. J. Pfefer, J. Biomed. Opt. 11, 041121 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Lasers Surg. Med. (1)

J. Oh, M. D. Feldman, J. Kim, H. W. Kang, P. Sanghi, and T. E. Milner, Lasers Surg. Med. 39, 266 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Nano Lett. (1)

M. C. Skala, M. J. Crow, A. Wax, and J. A. Izatt, Nano Lett. 8, 3461 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Nanomedicine (1)

X. H. Huang, P. K. Jain, I. H. El-Sayed, and M. A. El-Sayed, Nanomedicine 2, 681 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Opt. Express (2)

Opt. Lett. (3)

Radiology (1)

X. M. Yang, Radiology 243, 340 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Science (1)

D. Huang, E. A. Swanson, C. P. Lin, J. S. Schuman, W. G. Stinson, W. Chang, M. R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C. A. Puliafito, and J. G. Fujimoto, Science 254, 1178 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Technol. Cancer Res. Treat. (1)

C. Loo, A. Lin, L. Hirsch, M. H. Lee, J. Barton, N. Halas, J. West, and R. Drezek, Technol. Cancer Res. Treat. 3, 33 (2004).
[PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic of photothermal OCT setup. A collinear photothermal excitation beam is coupled into a swept source OCT imaging system.

Fig. 2
Fig. 2

Photothermal OCT in human breast tissues ex vivo. (a) No photothermal signal is observed from control images in saline injected specimen. (b) Phase modulation signal and (c) SNR images from the nanoshell injected specimen (no excitation, 5, 10, and 20 kHz modulation) demonstrate localized photothermal signal. (d, e) Time-dependent phase modulation and frequency spectra corresponding to pixels marked in (c).

Fig. 3
Fig. 3

Phase-modulation signal images at various beam-scanning speeds ranging from 2 to 16 mm/s with 10 kHz photothermal modulation.

Metrics