Abstract

Nonlinear photoacoustic effects, rarely seen in biomedical photoacoustic imaging of tissues, can manifest themselves strongly when plasmonic nanoparticles are used as imaging contrast agents. Specifically, nonlinear behavior of photoacoustic signal with modest laser fluences can occur when nanoparticles undergo cellular endocytosis and aggregation leading to thermal coupling and subsequent localized temperature enhancement. Our study demonstrated this effect using in vitro tissue models containing cells. While the photoacoustic signal amplitude was linearly proportional to the cell/nanoparticle concentration, the photoacoustic signal increased nonlinearly as the laser fluence increased. Our results, therefore, suggest that the nonlinear effects can be exploited in molecular/cellular photoacoustic imaging.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. S. Y. Emelianov, P. C. Li, and M. O’Donnell, Phys. Today 62, 34 (2009).
    [CrossRef]
  2. S. Kim, Y.-S. Chen, G. P. Luke, and S. Y. Emelianov, Biomed. Opt. Express 2, 2540 (2011).
    [CrossRef]
  3. V. Ė. Gusev and A. A. Karabutov, Laser Optoacoustics (American Institute of Physics, 1993).
  4. V. B. Oshurko, Tech. Phys. Lett. 32, 691 (2006).
    [CrossRef]
  5. S. V. Egerev and A. A. Oraevsky, Int. J. Thermophys. 29, 2116 (2008).
    [CrossRef]
  6. A. Sanchot, G. Baffou, R. Marty, A. Arbouet, R. Quidant, C. Girard, and E. Dujardin, ACS Nano 6, 3434 (2012).
    [CrossRef]
  7. A. O. Govorov, W. Zhang, T. Skeini, H. Richardson, J. Lee, and N. A. Kotov, Nano. Res. Lett. 1, 84 (2006).
    [CrossRef]
  8. T.-G. Iversen, T. Skotland, and K. Sandvig, Nano Today 6, 176 (2011).
    [CrossRef]
  9. L. M. Ricles, S. Y. Nam, K. Sokolov, S. Y. Emelianov, and L. J. Suggs, Int. J. Nanomed. 6, 407 (2011).
  10. S. Y. Nam, L. M. Ricles, L. J. Suggs, and S. Y. Emelianov, PLoS ONE 7, e37267 (2012).
    [CrossRef]
  11. A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
    [CrossRef]
  12. S. Mallidi, T. Larson, J. Tam, P. P. Joshi, A. Karpiouk, K. Sokolov, and S. Emelianov, Nano Lett. 9, 2825 (2009).
    [CrossRef]

2012

A. Sanchot, G. Baffou, R. Marty, A. Arbouet, R. Quidant, C. Girard, and E. Dujardin, ACS Nano 6, 3434 (2012).
[CrossRef]

S. Y. Nam, L. M. Ricles, L. J. Suggs, and S. Y. Emelianov, PLoS ONE 7, e37267 (2012).
[CrossRef]

2011

T.-G. Iversen, T. Skotland, and K. Sandvig, Nano Today 6, 176 (2011).
[CrossRef]

L. M. Ricles, S. Y. Nam, K. Sokolov, S. Y. Emelianov, and L. J. Suggs, Int. J. Nanomed. 6, 407 (2011).

S. Kim, Y.-S. Chen, G. P. Luke, and S. Y. Emelianov, Biomed. Opt. Express 2, 2540 (2011).
[CrossRef]

2009

S. Mallidi, T. Larson, J. Tam, P. P. Joshi, A. Karpiouk, K. Sokolov, and S. Emelianov, Nano Lett. 9, 2825 (2009).
[CrossRef]

S. Y. Emelianov, P. C. Li, and M. O’Donnell, Phys. Today 62, 34 (2009).
[CrossRef]

2008

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

S. V. Egerev and A. A. Oraevsky, Int. J. Thermophys. 29, 2116 (2008).
[CrossRef]

2006

V. B. Oshurko, Tech. Phys. Lett. 32, 691 (2006).
[CrossRef]

A. O. Govorov, W. Zhang, T. Skeini, H. Richardson, J. Lee, and N. A. Kotov, Nano. Res. Lett. 1, 84 (2006).
[CrossRef]

Arbouet, A.

A. Sanchot, G. Baffou, R. Marty, A. Arbouet, R. Quidant, C. Girard, and E. Dujardin, ACS Nano 6, 3434 (2012).
[CrossRef]

Baffou, G.

A. Sanchot, G. Baffou, R. Marty, A. Arbouet, R. Quidant, C. Girard, and E. Dujardin, ACS Nano 6, 3434 (2012).
[CrossRef]

Bodapati, S.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Chen, X.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Chen, Y.-S.

Cheng, Z.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Dai, H.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

De la Zerda, A.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Dujardin, E.

A. Sanchot, G. Baffou, R. Marty, A. Arbouet, R. Quidant, C. Girard, and E. Dujardin, ACS Nano 6, 3434 (2012).
[CrossRef]

Egerev, S. V.

S. V. Egerev and A. A. Oraevsky, Int. J. Thermophys. 29, 2116 (2008).
[CrossRef]

Emelianov, S.

S. Mallidi, T. Larson, J. Tam, P. P. Joshi, A. Karpiouk, K. Sokolov, and S. Emelianov, Nano Lett. 9, 2825 (2009).
[CrossRef]

Emelianov, S. Y.

S. Y. Nam, L. M. Ricles, L. J. Suggs, and S. Y. Emelianov, PLoS ONE 7, e37267 (2012).
[CrossRef]

S. Kim, Y.-S. Chen, G. P. Luke, and S. Y. Emelianov, Biomed. Opt. Express 2, 2540 (2011).
[CrossRef]

L. M. Ricles, S. Y. Nam, K. Sokolov, S. Y. Emelianov, and L. J. Suggs, Int. J. Nanomed. 6, 407 (2011).

S. Y. Emelianov, P. C. Li, and M. O’Donnell, Phys. Today 62, 34 (2009).
[CrossRef]

Gambhir, S. S.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Girard, C.

A. Sanchot, G. Baffou, R. Marty, A. Arbouet, R. Quidant, C. Girard, and E. Dujardin, ACS Nano 6, 3434 (2012).
[CrossRef]

Govorov, A. O.

A. O. Govorov, W. Zhang, T. Skeini, H. Richardson, J. Lee, and N. A. Kotov, Nano. Res. Lett. 1, 84 (2006).
[CrossRef]

Gusev, V. E.

V. Ė. Gusev and A. A. Karabutov, Laser Optoacoustics (American Institute of Physics, 1993).

Iversen, T.-G.

T.-G. Iversen, T. Skotland, and K. Sandvig, Nano Today 6, 176 (2011).
[CrossRef]

Joshi, P. P.

S. Mallidi, T. Larson, J. Tam, P. P. Joshi, A. Karpiouk, K. Sokolov, and S. Emelianov, Nano Lett. 9, 2825 (2009).
[CrossRef]

Karabutov, A. A.

V. Ė. Gusev and A. A. Karabutov, Laser Optoacoustics (American Institute of Physics, 1993).

Karpiouk, A.

S. Mallidi, T. Larson, J. Tam, P. P. Joshi, A. Karpiouk, K. Sokolov, and S. Emelianov, Nano Lett. 9, 2825 (2009).
[CrossRef]

Keren, S.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Khuri-Yakub, B. T.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Kim, S.

Kotov, N. A.

A. O. Govorov, W. Zhang, T. Skeini, H. Richardson, J. Lee, and N. A. Kotov, Nano. Res. Lett. 1, 84 (2006).
[CrossRef]

Larson, T.

S. Mallidi, T. Larson, J. Tam, P. P. Joshi, A. Karpiouk, K. Sokolov, and S. Emelianov, Nano Lett. 9, 2825 (2009).
[CrossRef]

Lee, J.

A. O. Govorov, W. Zhang, T. Skeini, H. Richardson, J. Lee, and N. A. Kotov, Nano. Res. Lett. 1, 84 (2006).
[CrossRef]

Levi, J.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Li, P. C.

S. Y. Emelianov, P. C. Li, and M. O’Donnell, Phys. Today 62, 34 (2009).
[CrossRef]

Liu, Z.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Luke, G. P.

Ma, T. J.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Mallidi, S.

S. Mallidi, T. Larson, J. Tam, P. P. Joshi, A. Karpiouk, K. Sokolov, and S. Emelianov, Nano Lett. 9, 2825 (2009).
[CrossRef]

Marty, R.

A. Sanchot, G. Baffou, R. Marty, A. Arbouet, R. Quidant, C. Girard, and E. Dujardin, ACS Nano 6, 3434 (2012).
[CrossRef]

Nam, S. Y.

S. Y. Nam, L. M. Ricles, L. J. Suggs, and S. Y. Emelianov, PLoS ONE 7, e37267 (2012).
[CrossRef]

L. M. Ricles, S. Y. Nam, K. Sokolov, S. Y. Emelianov, and L. J. Suggs, Int. J. Nanomed. 6, 407 (2011).

O’Donnell, M.

S. Y. Emelianov, P. C. Li, and M. O’Donnell, Phys. Today 62, 34 (2009).
[CrossRef]

Oraevsky, A. A.

S. V. Egerev and A. A. Oraevsky, Int. J. Thermophys. 29, 2116 (2008).
[CrossRef]

Oralkan, O.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Oshurko, V. B.

V. B. Oshurko, Tech. Phys. Lett. 32, 691 (2006).
[CrossRef]

Quidant, R.

A. Sanchot, G. Baffou, R. Marty, A. Arbouet, R. Quidant, C. Girard, and E. Dujardin, ACS Nano 6, 3434 (2012).
[CrossRef]

Richardson, H.

A. O. Govorov, W. Zhang, T. Skeini, H. Richardson, J. Lee, and N. A. Kotov, Nano. Res. Lett. 1, 84 (2006).
[CrossRef]

Ricles, L. M.

S. Y. Nam, L. M. Ricles, L. J. Suggs, and S. Y. Emelianov, PLoS ONE 7, e37267 (2012).
[CrossRef]

L. M. Ricles, S. Y. Nam, K. Sokolov, S. Y. Emelianov, and L. J. Suggs, Int. J. Nanomed. 6, 407 (2011).

Sanchot, A.

A. Sanchot, G. Baffou, R. Marty, A. Arbouet, R. Quidant, C. Girard, and E. Dujardin, ACS Nano 6, 3434 (2012).
[CrossRef]

Sandvig, K.

T.-G. Iversen, T. Skotland, and K. Sandvig, Nano Today 6, 176 (2011).
[CrossRef]

Skeini, T.

A. O. Govorov, W. Zhang, T. Skeini, H. Richardson, J. Lee, and N. A. Kotov, Nano. Res. Lett. 1, 84 (2006).
[CrossRef]

Skotland, T.

T.-G. Iversen, T. Skotland, and K. Sandvig, Nano Today 6, 176 (2011).
[CrossRef]

Smith, B. R.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Sokolov, K.

L. M. Ricles, S. Y. Nam, K. Sokolov, S. Y. Emelianov, and L. J. Suggs, Int. J. Nanomed. 6, 407 (2011).

S. Mallidi, T. Larson, J. Tam, P. P. Joshi, A. Karpiouk, K. Sokolov, and S. Emelianov, Nano Lett. 9, 2825 (2009).
[CrossRef]

Suggs, L. J.

S. Y. Nam, L. M. Ricles, L. J. Suggs, and S. Y. Emelianov, PLoS ONE 7, e37267 (2012).
[CrossRef]

L. M. Ricles, S. Y. Nam, K. Sokolov, S. Y. Emelianov, and L. J. Suggs, Int. J. Nanomed. 6, 407 (2011).

Tam, J.

S. Mallidi, T. Larson, J. Tam, P. P. Joshi, A. Karpiouk, K. Sokolov, and S. Emelianov, Nano Lett. 9, 2825 (2009).
[CrossRef]

Vaithilingam, S.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Zavaleta, C.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Zhang, W.

A. O. Govorov, W. Zhang, T. Skeini, H. Richardson, J. Lee, and N. A. Kotov, Nano. Res. Lett. 1, 84 (2006).
[CrossRef]

ACS Nano

A. Sanchot, G. Baffou, R. Marty, A. Arbouet, R. Quidant, C. Girard, and E. Dujardin, ACS Nano 6, 3434 (2012).
[CrossRef]

Biomed. Opt. Express

Int. J. Nanomed.

L. M. Ricles, S. Y. Nam, K. Sokolov, S. Y. Emelianov, and L. J. Suggs, Int. J. Nanomed. 6, 407 (2011).

Int. J. Thermophys.

S. V. Egerev and A. A. Oraevsky, Int. J. Thermophys. 29, 2116 (2008).
[CrossRef]

Nano Lett.

S. Mallidi, T. Larson, J. Tam, P. P. Joshi, A. Karpiouk, K. Sokolov, and S. Emelianov, Nano Lett. 9, 2825 (2009).
[CrossRef]

Nano Today

T.-G. Iversen, T. Skotland, and K. Sandvig, Nano Today 6, 176 (2011).
[CrossRef]

Nano. Res. Lett.

A. O. Govorov, W. Zhang, T. Skeini, H. Richardson, J. Lee, and N. A. Kotov, Nano. Res. Lett. 1, 84 (2006).
[CrossRef]

Nat. Nanotechnol.

A. De la Zerda, C. Zavaleta, S. Keren, S. Vaithilingam, S. Bodapati, Z. Liu, J. Levi, B. R. Smith, T. J. Ma, O. Oralkan, Z. Cheng, X. Chen, H. Dai, B. T. Khuri-Yakub, and S. S. Gambhir, Nat. Nanotechnol. 3, 557 (2008).
[CrossRef]

Phys. Today

S. Y. Emelianov, P. C. Li, and M. O’Donnell, Phys. Today 62, 34 (2009).
[CrossRef]

PLoS ONE

S. Y. Nam, L. M. Ricles, L. J. Suggs, and S. Y. Emelianov, PLoS ONE 7, e37267 (2012).
[CrossRef]

Tech. Phys. Lett.

V. B. Oshurko, Tech. Phys. Lett. 32, 691 (2006).
[CrossRef]

Other

V. Ė. Gusev and A. A. Karabutov, Laser Optoacoustics (American Institute of Physics, 1993).

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 (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

Diagrams of (a) endocytosis of nanoparticles, (b) disperse nanoparticles before endocytosis, and (c) the local temperature enhancement with thermal coupling around endocytosed nanoparticles.

Fig. 2.
Fig. 2.

Normalized absorbance spectra of gold nanoparticles, cells, and endocytosed gold nanoparticles (dashed red, dotted blue, and solid orange lines, respectively). Transmission electron microscopy image of the gold nanoparticles and dark field images of cells with and without nanoparticle loading (dashed red, dotted blue, and solid orange boxes, respectively).

Fig. 3.
Fig. 3.

Block diagram of the photoacoustic imaging system and the gelatin tissue-mimicking phantom with gold nanoparticle labeled cell inclusions.

Fig. 4.
Fig. 4.

Photoacoustic signal amplitudes from the endocytosed gold nanoparticles in the tissue-mimicking phantom with respect to the cell concentration at wavelengths of (a) 532 nm and (b) 700 nm and with respect to the laser fluence at wavelengths of (c) 532 nm and (d) 700 nm. The dotted lines represent the linear or nonlinear regression fit of the data. The photoacoustic images (5.76mm×3.93mm) from the inclusions with the highest laser fluence in (a) and (b) and with the highest cell concentration in (c) and (d) were incorporated into the graphs.

Metrics