要點(diǎn)：

* 基于掃頻光源的緊湊型拉曼光譜系統(tǒng)：美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）和韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的研究人員開發(fā)了一種用于化學(xué)和生物材料識(shí)別的便攜式拉曼光譜解決方案，克服了光譜儀笨重的局限性。

* 工作原理：該拉曼光譜系統(tǒng)使用掃頻激光器、窄帶濾光片和靈敏的光接收器，與傳統(tǒng)的拉曼光譜儀的識(shí)別能力相當(dāng)。

* 經(jīng)濟(jì)高效的信號(hào)處理：研究人員采用信號(hào)處理方法來降低系統(tǒng)成本并提高光譜分辨率，從而推進(jìn)拉曼光譜儀的小型化。

1928年，印度物理學(xué)家C. V. Raman和他的同事K. S. Krishnan發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，部分散射光會(huì)因與分子振動(dòng)的相互作用而發(fā)生能量變化，從而產(chǎn)生所謂的拉曼散射（Raman scattering）。這一發(fā)現(xiàn)為拉曼光譜奠定了基礎(chǔ)，拉曼光譜是一種利用這些能量變化來創(chuàng)建材料分子結(jié)構(gòu)的獨(dú)特“指紋”的技術(shù)。

目前，色散拉曼光譜是材料科學(xué)、制藥、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中識(shí)別樣品的常用方法。然而，捕獲和檢測(cè)散射光所需的光譜儀體積龐大，限制了其在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外的使用。此外，大多數(shù)手持式拉曼光譜儀僅用于化學(xué)分析。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，在《生物醫(yī)學(xué)光學(xué)雜志（Journal of Biomedical Optics）》上發(fā)表的一項(xiàng)題為“Swept-source Raman spectroscopy of chemical and biological materials”的研究論文中，來自韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院和美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員合作開發(fā)了一種緊湊型掃頻光源拉曼（SS-Raman）光譜系統(tǒng)。掃頻光源拉曼的概念在之前的專利（US9662047B2）中提出，但由于缺乏窄帶濾光片，直到最近才實(shí)現(xiàn)?；趻哳l光源的拉曼光譜系統(tǒng)識(shí)別化學(xué)和生物材料的能力可與傳統(tǒng)的色散拉曼光譜儀相媲美。該緊湊型拉曼光譜系統(tǒng)解決了當(dāng)前手持式光譜儀的局限性，并為生物醫(yī)學(xué)中的樣品識(shí)別打開了大門。

傳統(tǒng)的拉曼光譜儀使用固定波長(zhǎng)光源來激發(fā)樣品并引起拉曼散射。相比之下，掃頻光源拉曼光譜儀使用掃頻激光器，可發(fā)出連續(xù)波長(zhǎng)范圍的光。掃頻激光經(jīng)過透鏡及反射鏡之后聚焦到樣品上。樣品散射光經(jīng)過透鏡和窄帶濾光片之后，由高靈敏度硅光接收器進(jìn)行檢測(cè)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以進(jìn)行樣品分析，具體如下圖所示。

掃頻光源拉曼（SS-Raman）光譜系統(tǒng)原理圖

“我們提出的掃頻光源拉曼光譜系統(tǒng)使用波長(zhǎng)掃頻激光器（822至842nm，耦合多模光纖）、窄帶濾光片和硅光接收器來獲取拉曼光譜信息。這些組件有助于開發(fā)緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的拉曼光譜系統(tǒng)?！痹撗芯康耐ㄓ嵶髡咧弧⒙槭±砉W(xué)院Jeon Woong Kang博士指出。

為了評(píng)估該拉曼光譜系統(tǒng)的有效性，研究人員將新系統(tǒng)與傳統(tǒng)的色散拉曼光譜儀進(jìn)行比較——分別對(duì)各種化學(xué)和生物樣品獲取拉曼光譜。苯丙氨酸、羥基磷灰石、葡萄糖和對(duì)乙酰氨基酚等是被用于獲得900至1200cm?1范圍內(nèi)拉曼光譜的化學(xué)樣品。對(duì)于生物樣品，研究人員掃描了豬腹部切片的橫截面。從本文所提出的掃頻光源拉曼光譜系統(tǒng)獲得的拉曼光譜與從傳統(tǒng)的色散拉曼光譜儀獲得的拉曼光譜非常相似，相關(guān)系數(shù)范圍為0.73至0.91，表明其識(shí)別兩種類型樣品的可行性。

利用掃頻光源拉曼光譜系統(tǒng)獲得的生物樣品（豬腹部肉）拉曼光譜信息

值得注意的是，在拉曼光譜系統(tǒng)中，大量成本來自對(duì)高質(zhì)量濾光片和光源的需求。掃頻光源拉曼光譜系統(tǒng)面臨著類似的挑戰(zhàn)。為了保持低成本，研究人員在新系統(tǒng)中采用了信號(hào)處理方法。高斯濾波器用于消除不穩(wěn)定激光輸出引入的紋波噪聲。采用反卷積方法來銳化拉曼光譜中的峰值并提高其分辨率。此外，利用多項(xiàng)式背景去除來消除由于濾光片的低光密度而產(chǎn)生的背景噪聲。

總體而言，本文所提出的新系統(tǒng)為用于化學(xué)和生物樣品分析的小型化拉曼光譜儀的未來發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。然而，新系統(tǒng)仍有改進(jìn)的空間，特別是在減少樣品的采集時(shí)間方面，目前需要40秒以上。為了在不到1秒的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)生物樣品，研究人員正在開發(fā)一種配備多個(gè)硅光檢測(cè)器和帶通濾光片的多通道掃頻光源拉曼光譜系統(tǒng)，這有望在相同的時(shí)間內(nèi)分析更廣泛的生物分子，以實(shí)現(xiàn)更多樣化的應(yīng)用。

論文信息：
https://doi.org/10.1117/1.JBO.29.S2.S22703

審核編輯：劉清