北京大学未来技术学院，国家生物医学成像科学中心，北京 100871
相干拉曼散射（CRS）技术作为一种重要的无标记化学成像技术，通过相干激发分子协同振动对拉曼散射信号进行增益，显著地提高了成像速度，广泛应用于材料学、生物化学、肿瘤诊断、药代动力学等领域。超快脉冲激光器的出现实现了亚皮秒持续时间的脉冲输出，使得通过脉冲激发实现大量振动模式的同步相干激发成为新的CRS实现途径。从相干拉曼散射基本原理出发，介绍时域相干拉曼散射的主要实现途径，着重讨论时域受激拉曼散射（SRS）和时域相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）的最新进展与应用。
拉曼光谱技术 相干拉曼散射 受激拉曼散射 相干反斯托克斯拉曼散射 时域 频域 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618007
1 中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
拉曼光谱技术在液体检测方面具有诸多优点, 如多组分同时探测、 非接触、 检测周期短、 分子指纹特性等, 已成功用于多个领域的样品分析, 但是较低的探测灵敏度制约了该技术的进一步发展。 为了提高液体样品拉曼光谱探测灵敏度, 文章报道了一种基于新型液体样品池的拉曼光谱增强方法。 该方法在传统比色皿底端加入一个凹面反射镜, 一方面可以使作用于样品后的激光再次反射聚焦重新作用于样品, 另一方面凹面反射镜可以使拉曼光谱探测装置同时收集前向与后向拉曼散射信号, 相较于传统拉曼光谱技术该方法可提高液体拉曼探测灵敏度。 首先理论分析了影响拉曼散射强度的因素以及在非偏振光激发下拉曼散射信号强度与收集角度之间的关系, 得出结论: 当收集角度相较于光源传播方向为前向或后向时(即0°或180°)拉曼散射强度最大, 为样品池的设计提供理论基础。 进一步设计并制作了一种新型样品池, 采用UV胶将镀银凹面反射镜(直径12.5 mm, 焦距10 mm)与石英管(外径12 mm, 壁厚1 mm, 长度30 mm)粘合形成新型液体样品池。 为了验证新型样品池的效果, 搭建了785 nm拉曼探头装置并开展了相关实验研究, 对三种典型的液体样品(75%乙醇、 异丙醇、 甲醇)进行探测并与传统比色皿的探测效果进行对比, 结果表明: 新型样品池对不同液体样品探测灵敏度均有明显的增强, 增强因子近4倍。 为了分析新型样品池制作方法的重复性, 制作了3个样品池, 实验对比了三个样品池的探测效果, 并对其结果进行分析。 为了验证该方法对低浓度样品的探测能力, 对稀释20倍的75%乙醇溶液进行探测, 利用新型样品池可获得样品的拉曼光谱信息, 而传统拉曼光谱技术无法获得有效的拉曼信号。 上述结果表明报道的新型样品池具有结构简单、 适用范围广的优点, 且可有效提高液体拉曼光谱探测灵敏度。
拉曼光谱技术 液体探测 灵敏度 新型样品池 Raman spectroscopy Liquid detection Detection sensitivity New sample cell
中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用检验技术研究室, 江苏 苏州 215163
病原微生物是指可侵犯人体, 引起感染的微生物, 临床上由病原微生物感染引发的疾病极为常见。 传统的临床病原菌诊断主要依赖于细菌培养, 但此方法耗时长, 往往需要2～5 d才能得到检测结果, 并且存在部分细菌培养困难甚至无法培养的问题。 在无法鉴别菌种以及药物敏感性的情况下医生凭借经验使用广谱抗生素, 加速了细菌耐药性的产生。 因此, 病原微生物的高灵敏快速检测方法研究成为重要研究方向。 拉曼光谱技术是一种对待测样品进行原位、 非侵入性检测的技术, 可在单细胞水平上提供微生物细胞中不同生物分子的指纹图谱信息, 通过这些信息可以确定微生物的种类、 生理特征和突变表型等, 实现对微生物样品的快速检测。 随着激光光谱学的快速发展以及临床需求的不断增加, 促使了以拉曼光谱检测技术为核心的亚技术诞生（如: 表面增强拉曼光谱技术、 傅里叶变换拉曼光谱技术、 激光共振拉曼光谱技术、 共聚焦显微拉曼光谱技术、 相干反斯托克斯拉曼光谱以及受激拉曼光谱等相关技术）, 同时改善了以往拉曼光谱技术信号强度弱的不足, 以实现对微生物高精度的快速检测分析。 凭借着其具有对样本的状态没有限制以及能够检测物质成分微小变化的优势, 近年来对拉曼光谱在病原微生物领域的研究日渐增多。 对微生物检测的研究现状进行了调查和分析, 围绕着拉曼光谱技术原理对其在微生物检测中的应用进行了具体阐述, 其中主要对该技术在病原微生物鉴定以及药敏检测中的研究进展展开讨论, 并就其与传统检测技术之间的差别和优势进行分析, 展示了拉曼光谱技术作为病原微生物的快速检测新方法的前景。
拉曼光谱技术 病原微生物 快速检测 病原菌鉴定 药敏分析 Raman spectroscopy Pathogenic microorganism Rapid detection Pathogenidentification Antimicrobial susceptibility test 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3653
1 西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西 杨凌 712100
2 农业农村部农业物联网重点实验室,陕西 杨凌 712100.
3 陕西省农业信息感知与智能服务重点实验室,陕西 杨凌 712100
重金属污染会影响农作物的正常生长, 如何快速准确的实现对农作物中重金属的检测已成为亟待解决的问题之一。 传统植物中重金属检测依赖于化学方法, 虽然可以实现重金属含量的精准检测, 然而其操作过程繁琐, 并且无法实现批量样本的检测, 更无法实现重金属胁迫下植物组织的原位微观检测。 拉曼光谱具备无损探测固体、 液体和气体状态的分子振动信息、 光谱分辨率高和对水分不敏感等优势, 因此利用拉曼光谱技术检测农作物中重金属含量具有可行性。 苹果砧木是苹果树幼苗嫁接的基础, 能够保障后期的苹果树体健康以及苹果果品品质与产量, 而苹果砧木根系受到重金属污染, 阻碍其健康生长并影响苹果树幼苗的抗逆性, 因此探明重金属与苹果砧木根系互作机理十分必要。 该研究以5组不同浓度CuSO4·5H2O溶液胁迫下的苹果砧木为研究对象, 首先采集不同铜离子(Cu2+)胁迫梯度下苹果砧木根系的拉曼散射光谱, 利用自适应迭代重加权惩罚最小二乘法(Air-PLS)和S-G平滑方法对所获得的拉曼光谱数据进行预处理, 去除荧光影响以及进行基线校正; 其次建立偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型和支持向量机(SVM)判别模型, 结果表明: 基于显微拉曼光谱和SVM, PLS-DA判别模型对苹果砧木根系的铜离子胁迫进行判别, SVM模型准确率可达100%, PLS-DA模型准确率为96%, 能够较好的预测出苹果砧木受重金属铜的胁迫程度; 最后基于特征拉曼光谱峰1 096, 1 329, 1 605和2 937 cm-1进行苹果砧木根系横截面的化学成像可视化研究。 研究结果表明, 拉曼光谱技术结合Air-PLS和S-G平滑建立的SVM模型和PLS-DA模型可以快速、 有效地进行苹果砧木根系受重金属胁迫程度的诊断, 为重金属胁迫农作物检测提供新的思路, 对农作物的重金属逆境胁迫互作机理诊断具有理论指导意义。
拉曼光谱技术 苹果砧木 根系 重金属胁迫 Raman spectroscopy Apple stock Roots Heavy metal stress 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2890
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
紫外拉曼光谱技术相较于传统拉曼光谱技术，具有灵敏度高、日盲性、人眼安全性高等优点，被应用于多个领域。采用266 nm紫外激光器作为光源，拉曼和荧光光谱可能存在部分重叠，进而影响拉曼光谱特征的准确获取。针对此问题，联合形态学和多项式拟合算法对紫外拉曼的荧光背景进行扣除，该方法融合形态学较好地保留光谱特征、多项式拟合方法简单有效的优点，实现对紫外拉曼光谱中荧光背景的准确扣除。为了验证方法的有效性，采用该方法对4种不同类型背景的仿真光谱进行基线校正，并与传统方法进行对比。结果表明：相较于现有基线校正算法，该方法在准确率方面优势明显，获得更好的基线校正效果。进一步地，采用该算法对紫外拉曼光谱装置获得的不同衬底硝酸钾样品的实测光谱进行基线校正，结果表明该方法对于不同类型的衬底背景均可获得纯净的拉曼光谱，这为下一步的样品分析提供了更准确的光谱信息。
光谱学 拉曼光谱技术 紫外拉曼 背景扣除 形态学 多项式拟合 光学学报
2022, 42(22): 2230001
中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用检验技术研究室，江苏 苏州 215163
拉曼光谱技术作为一种非接触性光子光谱检测技术，可以直接无损地检测细胞内的分子组成和结构变化，实现对癌变细胞的快速精准判别。恶性肿瘤是导致人类死亡的第一大疾病，因此肿瘤早期检测成为近年来医学界的重要研究方向。介绍了几种拉曼检测技术的原理，对拉曼检测技术用于肿瘤组织实体、组织病理切片、患者血清及肿瘤单细胞的检测分析进行综述，并对此技术在乳腺肿瘤、消化系统肿瘤、皮肤肿瘤及脑胶质瘤方向的研究进展展开讨论。与正常细胞相比，肿瘤细胞中生物大分子的成分和含量都会发生一定的变化，拉曼光谱技术可快速精准地检测此类变化，因此对实现肿瘤的早期检测有重要的意义。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617016
强激光与粒子束
2021, 33(11): 119001
拉曼光谱技术以多组分同时探测、 无需样品预处理等优势被用于多个领域, 但是较低的探测灵敏度制约了其更广泛的应用。 为了提高拉曼光谱技术气体探测的灵敏度, 文章报道了一种基于折叠近共心腔对气体拉曼信号进行增强的方法。 该方法通过向多次反射腔中心引入一片高反射率平面镜将腔体从中心处进行折叠, 使腔体中心处光束相互重叠以增加光线密度和光通量, 进而提高系统的探测灵敏度。 采用TracePro软件对不同模式下的多次反射腔进行光线追迹和通量分析(激光: 300 mW@532 nm, 镜面反射率: 99%@532 nm), 结果表明光腔折叠方式能够显著提高反射腔中心处的光通量。 折叠近共心腔在反射次数为68次的情况下, 光腰中心处光通量可达22.35 W, 约为近共心反射腔光通量的1.5倍左右。 进一步搭建了多次反射腔对模拟结果进行验证, 实验结果表明: 折叠近共心腔对拉曼信号信噪比增强效果最好, 约为49倍; 近共心腔次之为36倍; 是折叠共心腔为24倍; 最后是共心腔为17倍。 与未折叠的近共心腔相比, 采用折叠近共心腔采集的气体拉曼信号信噪比提高了约1.4倍。 根据该系统探测到的空气中的二氧化碳拉曼峰相对强度, 以三倍于噪声强度的信号作为检出限标准, 估算出该系统对于二氧化碳的检测限约为0.13 mg·L-1(66 ppm)。
拉曼光谱技术 气体探测 探测灵敏度 折叠近共心腔 Raman spectroscopy Gas detection Detection sensitivity Folded near-concentric cavity 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3390
1 中国计量大学生命科学学院, 浙江 杭州 310018
2 浙江省海洋食品品质及危害物控制技术重点实验室, 浙江 杭州 310018
针对明虾品质劣变过程中的鲜度特征, 该研究以颜色(L*, a*, b*)、 挥发性盐基氮(TVB-N)、 pH等品质指标为研究对象, 利用拉曼无损检测技术采集4 ℃和-20 ℃下生鲜明虾光谱信息, 运用岭回归、 偏最小二乘法和前向逐步回归对明虾进行了快速定量检测, 建立了品质指标定量模型。 其中光谱数据预处理包括SG平滑、 背景扣除、 二阶微分、 标准正态变量变换, 按一定方式组合4种预处理和PCA降维技术进行数据处理, 筛选出最优模型。 结果表明: 利用岭回归建立颜色(a*, b*)定量模型时, 在组合预处理方式下建模集中R分别为0.983和0.973, RMSE分别为0.114和0.179, 预测集中R分别为0.513和0.564; RMSE分别为0.615和0.918, 建模集精度远超预测集表明出现过拟合, 经PCA降维后过拟合降低、 但预测集预测效果不理想; 偏最小二乘法在各指标建模集上精度和岭回归差不多, 在预测集上预测精度偏低, PCA降维后部分指标建模集相关系数下降、 均方根误差上升, 预测精度降低。 最终结果显示: 经过4种预处理后的前向逐步回归模型最优, 建模集中L*, a*, b*, pH和TVB-N指标R分别为0.904, 0.885, 0.864, 0.934和0.940, RMSE分别为1.141, 0.280, 0.535, 0.131和2.345; 预测集中R分别为0.863, 0.850, 0.859, 0.900和0.916, RMSE分别为1.394, 0.406, 0.605, 0.194和2.734, 建模效果好。 因此, 利用拉曼光谱技术结合前向逐步回归模型快速检测明虾中L*, a*, b*, pH和挥发性盐基氮含量可行, 对拉曼技术应用明虾品质检测具有一定指导意义。
拉曼光谱技术 明虾 贮藏条件 品质指标 预测模型 Raman spectroscopy technology Prawn Storage condition Quality index Prediction model 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1607
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 军事科学院系统工程研究院, 北京 100082
传统拉曼光谱分析技术在对容器内未知样品进行检测时极易受到容器壁的荧光和拉曼散射干扰, 其商业应用往往仅限于透明塑料或玻璃包装的情况。 由于光子在介质内部的迁移方向具有随机性, 与表层相比内部深层处产生的拉曼散射光子在扩散过程中更易于横向迁移, 因此偏离激光入射点不同距离的拉曼光谱包含了不同深度层的拉曼光谱信息。 空间偏移拉曼光谱技术通过将拉曼光收集点偏离激光入射点, 能够抑制容器壁的荧光和拉曼散射干扰, 从而实现对有色、 不透明包装内样品的有效检测。 通过设计搭建了空间偏移拉曼光谱实验装置, 实现-1.0~10.0 mm偏移距离的可调节。 使用青色、 不透明的1 mm厚PMMA平板来模拟容器壁, 使用碳酸钙（CaCO3）粉末作为内部待测样品。 分别采用传统方式（零偏移）和空间偏移方式对容器内样品进行测量。 对采集的原始光谱首先进行平均和7阶多项式拟合去除基线（荧光）, 然后以3个最大特征峰的平均值作为光谱强度的评价指标, 对空间偏移拉曼光谱信号随偏移距离的变化规律进行分析, 发现： 随着空间偏移距离的增大, 容器壁的拉曼散射强度快速下降, 而内部样品的拉曼散射强度先上升后缓慢下降； 对于均匀厚度、 各向同性的样品, 变化趋势关于零偏移两侧对称, 此外光束的斜入射会引起轻微的不对称； 在某个偏移距离处样品与容器壁的光谱强度比值达到最大值, 存在最优探测偏移距离, 对于此次样品其最优偏移距离为1.2 mm。 在容器和样品材质未知的情况下, 采用比例相减的方法仍可以得到各层干净的拉曼光谱, 通过对零偏移和最优偏移处的光谱进行计算, 分别得到容器壁和内部样品干净的拉曼光谱, 实现对内部样品的有效检测。 研究结果在一定程度上证明了空间偏移拉曼光谱技术在不透明、 有色容器内样品的检测方面的潜力, 为进一步研究空间偏移拉曼光谱技术及数据处理方法提供基础。
空间偏移拉曼光谱技术 穿透容器检测 光谱解混 无损检测 Spatially offset Raman spectroscopy Penetrating container detection Spectral unmixing Nondestructive testing
