拉曼光譜

眾所周知，1928年，印度物理學(xué)家拉曼通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)**證明了非彈性散射光的存在。后來(lái)的學(xué)者以拉曼的名字將這種非彈性散射光命名為“拉曼散射”，與之對(duì)應(yīng)的散射光現(xiàn)象稱(chēng)為“拉曼效應(yīng)”。之后這種被稱(chēng)為“分子光譜”的光譜技術(shù)逐步成為了研究分子結(jié)構(gòu)的重要手段之一。20世紀(jì)60年代，激光的出現(xiàn)使得拉曼光譜儀系統(tǒng)得到了很大的簡(jiǎn)化，檢測(cè)的靈敏度提高很多，由此開(kāi)始，拉開(kāi)了拉曼光譜真正用于常規(guī)分析和檢測(cè)的序幕。

拉曼光譜是在拉曼效應(yīng)基礎(chǔ)上的一種方法，由于其含有的眾多優(yōu)勢(shì)已成為檢測(cè)和分析方法中的佼佼者，被廣泛應(yīng)用于食品檢測(cè)、生物醫(yī)藥、分子結(jié)構(gòu)研究、化工過(guò)程、生物化學(xué)、考古及文物鑒定以及法學(xué)樣品分析等各個(gè)領(lǐng)域。學(xué)術(shù)界先后出現(xiàn)了多種常用的拉曼光譜延伸技術(shù)，如表面增強(qiáng)拉曼光譜、共焦顯微拉曼光譜、傅里葉變換拉曼光譜、共振拉曼光譜等。

拉曼光譜技術(shù)因其無(wú)需樣品制備過(guò)程、快速無(wú)損、穩(wěn)定性高的特性，在光學(xué)快檢領(lǐng)域備受推崇。但是，在拉曼光譜技術(shù)擁有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，信號(hào)弱和易受干擾的缺陷也成為限制拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。比如大多數(shù)食品、藥品的拉曼光譜檢測(cè)過(guò)程都伴有強(qiáng)熒光干擾，熒光的存在嚴(yán)重影響拉曼光譜特征峰的識(shí)別，越來(lái)越多的物質(zhì)或是因?yàn)闂l件限制無(wú)法獲取高信噪比的拉曼光譜，或是因?yàn)樽陨韽?qiáng)熒光掩蓋了原本就很弱的拉曼信號(hào)，導(dǎo)致應(yīng)用受限。

位移差分拉曼光譜（SERDS）技術(shù)原理

熒光抑制

目前，抑制熒光干擾的方法有如下幾種：

一種簡(jiǎn)單的方法是加入熒光猝滅劑。但是使用這種方法的時(shí)候必須要保證樣品不會(huì)受到高濃度的熒光猝滅劑干擾，對(duì)于生物樣品來(lái)說(shuō)，這基本不可能。

另一種方法是使用比低能量吸收帶更長(zhǎng)的波長(zhǎng)激光來(lái)激發(fā)樣品（預(yù)共振激發(fā)）。利用這一思想的一項(xiàng)重要技術(shù)就是傅里葉變換（FT）拉曼光譜。在很多情況下，用這種方式可以獲得在高熒光中的拉曼光譜信號(hào)，但是這種方法有一些嚴(yán)重的缺陷。首先，這種激發(fā)光不會(huì)直接與任何的基團(tuán)發(fā)生共振，在多組分樣本中就不能實(shí)現(xiàn)對(duì)特定基團(tuán)的選擇性增強(qiáng)。其次，由于激發(fā)光受限于預(yù)激發(fā)波長(zhǎng)，就不能通過(guò)吸收帶來(lái)測(cè)量共振拉曼激發(fā)的輪廓曲線（拉曼強(qiáng)度是激發(fā)波長(zhǎng)的函數(shù)）。這是一個(gè)極其嚴(yán)重的缺陷，因?yàn)榉治黾ぐl(fā)光的輪廓曲線對(duì)于探測(cè)色團(tuán)的激發(fā)電子狀態(tài)特性是很有用的。

還有一種方法是基于拉曼散射和熒光發(fā)射可以在時(shí)間上區(qū)分開(kāi)來(lái)，使用門(mén)控和時(shí)間相關(guān)的光子計(jì)數(shù)來(lái)提供時(shí)間分辨率。該方法涉及到激光強(qiáng)度的高頻率調(diào)制，不止是激光器的鎖模，還用到了外部的調(diào)制器來(lái)調(diào)制激光腔，但是僅在熒光壽命相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)候才有用。

另一種區(qū)分拉曼信號(hào)和熒光背景的方法是設(shè)計(jì)激發(fā)激光的波長(zhǎng)調(diào)諧。這種技術(shù)通過(guò)向一個(gè)連續(xù)波染料激光器的調(diào)諧元件中引入一個(gè)低頻調(diào)制器而得以實(shí)現(xiàn)。波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)可應(yīng)用于任何系統(tǒng)，但其用途受限于對(duì)激光波長(zhǎng)的低頻調(diào)制和鎖定檢測(cè)的專(zhuān)用設(shè)備。

上述的各種熒光消除技術(shù)方法確實(shí)發(fā)揮了一定作用，但是它們的劣勢(shì)也是顯而易見(jiàn)。

位移差分拉曼光譜

根據(jù)Kasha's rule，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究人員提出了位移差分拉曼方法來(lái)解決熒光背景干擾的問(wèn)題。分子所發(fā)射的光（熒光或磷光）只能從某一多重態(tài)中的低態(tài)激發(fā)，因此對(duì)于激發(fā)光的微小偏移并不影響背景（樣品受激發(fā)射光譜）。獲得的拉曼光譜的熒光輪廓幾乎不發(fā)生變化。而拉曼光譜作為散射光譜特征峰出現(xiàn)的位置與激發(fā)光源頻譜位置有固定關(guān)系，當(dāng)激發(fā)光頻率移動(dòng)時(shí)拉曼特征峰會(huì)跟著移動(dòng)。Johannes Kiefer在文章中用寬譜光源進(jìn)行光譜成像，很形象的說(shuō)明了這一現(xiàn)象。圖中y代表不同激發(fā)頻率，顏色譜代表了接收到的光譜強(qiáng)度。對(duì)比下面的光譜圖，可以看中間有很強(qiáng)的一片區(qū)域是中心對(duì)稱(chēng)的，代表了不隨激發(fā)光頻率變化的受激發(fā)射光譜，而窄窄的傾斜光譜則是拉曼光譜。

位移差分拉曼光譜（SERDS），這種技術(shù)基于在兩個(gè)有輕微偏移的激發(fā)激光中收集兩張不同的光譜。首先，與以前的技術(shù)對(duì)比，不需要使用特殊的設(shè)備來(lái)改變激勵(lì)激光器的波長(zhǎng)。其次，使用多通道檢測(cè)，從而在給定的信號(hào)積分時(shí)間內(nèi)改善了信噪比。對(duì)于現(xiàn)在的制冷式非加強(qiáng)CCD探測(cè)器，具有非常高的散粒噪聲，信噪比對(duì)于這種可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的差分方法是至關(guān)重要的。除了這些特性以外，這種方法對(duì)于短壽命的和長(zhǎng)壽命的熒光樣品同樣適用。

差分拉曼技術(shù)采用物理和數(shù)學(xué)相結(jié)合的熒光處理方法，常規(guī)流程如下：

首先，需要獲得采用具有已知微小波長(zhǎng)錯(cuò)位的光源激發(fā)的拉曼光譜。將光譜的基線對(duì)齊，理論上對(duì)齊后光譜相減生成的曲線中僅包含拉曼光譜的差分信息。根據(jù)公式：

可以將差分曲線看作拉曼光譜橫軸顛倒后與兩個(gè)δ函數(shù)差的卷積： 

可以對(duì)差分曲線積分后，看作拉曼光譜與一個(gè)方波函數(shù)的卷積，通過(guò)解卷積的方式獲得真實(shí)拉曼光譜。

實(shí)際操作中雖然兩次差分光譜雖然相差不大，但是由于激光的漂白作用或激光的波動(dòng)，焦點(diǎn)位置的微小變化等各種因素都可能導(dǎo)致光譜曲線的變化。錯(cuò)誤的對(duì)齊將在差分拉曼光譜重建過(guò)程中被放大，降低拉曼特征提取效果。數(shù)學(xué)操作上，光譜對(duì)齊像一個(gè)悖論。我們希望通過(guò)光譜對(duì)齊通過(guò)差分扣除光譜中的熒光部分，分離熒光和拉曼信號(hào)；但是只有我們知道準(zhǔn)確的熒光才可能讓光譜熒光的對(duì)齊。而如果我們已經(jīng)可以清楚的區(qū)分熒光和拉曼信號(hào)，我們則沒(méi)有必要對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行差分。

為了解決這一問(wèn)題，常規(guī)做法是近似，根據(jù)整個(gè)光譜面積或關(guān)鍵的局部面積作為基準(zhǔn)對(duì)譜圖進(jìn)行縮放和平移，使譜圖的匹配基本匹配。然后再對(duì)差分后產(chǎn)生的曲線進(jìn)行矯正，如交替小二乘法（ALS）擬合。但是由于擬合目標(biāo)是未知的，所以該方法還存在很多不確定性。

申貝開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于任意函數(shù)可以被一個(gè)有三層單元的網(wǎng)絡(luò)以任意精度逼近(Cybenko 1988)這一原理。通過(guò)迭代優(yōu)解的方式，同時(shí)將差分、對(duì)齊和基線矯正同時(shí)完成。實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)幾十次迭代（用時(shí)0.2s）可以準(zhǔn)確分離差分信號(hào)和基線偏差。

目前，位移差分拉曼光譜的應(yīng)用場(chǎng)景也在積極開(kāi)發(fā)中。

德國(guó)Ferdinand Braun研究所的研究人員在瑞士的一個(gè)蘋(píng)果園采用位移差分拉曼光譜技術(shù)，克服室外背景陽(yáng)光以及樣品熒光干擾，就蘋(píng)果皮和蘋(píng)果樹(shù)葉進(jìn)行了SERDS測(cè)量，獲得了蘋(píng)果的指紋特征。該團(tuán)隊(duì)還基于差分拉曼技術(shù)進(jìn)行了針對(duì)人體健康的人體皮膚中胡蘿卜素的檢測(cè)研究，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)樣品0.05nmol/g的檢出限。

針對(duì)紅酒中酒精和甲醇的檢測(cè)，眾所周知紅酒具有很高的熒光信號(hào)，美國(guó)和克羅地亞研究人員，通過(guò)位移激發(fā)差分拉曼技術(shù)在譜圖中恢復(fù)了葡萄酒中乙醇和甲醇的光譜，通過(guò)400次平均實(shí)現(xiàn)對(duì)含量在0.05%甲醇的檢測(cè)。

申貝開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)采用785nm，間距1nm的差分拉曼系統(tǒng)，結(jié)合團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的差分拉曼解調(diào)和去噪算法，對(duì)弱激發(fā)下的樣品拉曼特征也進(jìn)行了相關(guān)研究。

科技開(kāi)發(fā)的目的絕不僅僅是技術(shù)的更新升級(jí)，如何能將技術(shù)應(yīng)用與市場(chǎng)熱點(diǎn)需求深入結(jié)合，將科技成果轉(zhuǎn)換為社會(huì)生產(chǎn)力才是關(guān)鍵。Senbe開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)推出的位移差分拉曼光譜技術(shù)新品突破性的解決了拉曼光譜熒光干擾的問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化和完善了拉曼光譜快檢性能，拓寬了拉曼光譜的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)促進(jìn)拉曼光譜領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)與理論發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。期待Senbe開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)以及更多的拉曼領(lǐng)域科研工作者通過(guò)不懈的努力去探索和發(fā)展位移差分拉曼光譜這一新興技術(shù)，將**的拉曼光譜技術(shù)轉(zhuǎn)化為科技成果并投入規(guī)?；a(chǎn)，讓便攜式拉曼檢測(cè)技術(shù)變得更為實(shí)用和方便。