一种用于化学和生物材料识别的便携式拉曼光谱解决方案

要点：

* 基于扫频光源的紧凑型拉曼光谱系统：美国麻省理工学院（MIT）和韩国科学技术院（KAIST）的研究人员开发了一种用于化学和生物材料识别的便携式拉曼光谱解决方案，克服了光谱仪笨重的局限性。

* 工作原理：该拉曼光谱系统使用扫频激光器、窄带滤光片和灵敏的光接收器，与传统的拉曼光谱仪的识别能力相当。

* 经济高效的信号处理：研究人员采用信号处理方法来降低系统成本并提高光谱分辨率，从而推进拉曼光谱仪的小型化。

1928年，印度物理学家C. V. Raman和他的同事K. S. Krishnan发现，当光与物质相互作用时，部分散射光会因与分子振动的相互作用而发生能量变化，从而产生所谓的拉曼散射（Raman scattering）。这一发现为拉曼光谱奠定了基础，拉曼光谱是一种利用这些能量变化来创建材料分子结构的独特“指纹”的技术。

目前，色散拉曼光谱是材料科学、制药、环境监测和生物医学等多个领域中识别样品的常用方法。然而，捕获和检测散射光所需的光谱仪体积庞大，限制了其在实验室环境之外的使用。此外，大多数手持式拉曼光谱仪仅用于化学分析。

据麦姆斯咨询报道，近期，在《生物医学光学杂志（Journal of Biomedical Optics）》上发表的一项题为“Swept-source Raman spectroscopy of chemical and biological materials”的研究论文中，来自韩国科学技术院和美国麻省理工学院的研究人员合作开发了一种紧凑型扫频光源拉曼（SS-Raman）光谱系统。扫频光源拉曼的概念在之前的专利（US9662047B2）中提出，但由于缺乏窄带滤光片，直到最近才实现。基于扫频光源的拉曼光谱系统识别化学和生物材料的能力可与传统的色散拉曼光谱仪相媲美。该紧凑型拉曼光谱系统解决了当前手持式光谱仪的局限性，并为生物医学中的样品识别打开了大门。

传统的拉曼光谱仪使用固定波长光源来激发样品并引起拉曼散射。相比之下，扫频光源拉曼光谱仪使用扫频激光器，可发出连续波长范围的光。扫频激光经过透镜及反射镜之后聚焦到样品上。样品散射光经过透镜和窄带滤光片之后，由高灵敏度硅光接收器进行检测，并将光信号转换为电信号以进行样品分析，具体如下图所示。

扫频光源拉曼（SS-Raman）光谱系统原理图

“我们提出的扫频光源拉曼光谱系统使用波长扫频激光器（822至842nm，耦合多模光纤）、窄带滤光片和硅光接收器来获取拉曼光谱信息。这些组件有助于开发紧凑且经济高效的拉曼光谱系统。”该研究的通讯作者之一、麻省理工学院Jeon Woong Kang博士指出。

为了评估该拉曼光谱系统的有效性，研究人员将新系统与传统的色散拉曼光谱仪进行比较——分别对各种化学和生物样品获取拉曼光谱。苯丙氨酸、羟基磷灰石、葡萄糖和对乙酰氨基酚等是被用于获得900至1200cm⁻¹范围内拉曼光谱的化学样品。对于生物样品，研究人员扫描了猪腹部切片的横截面。从本文所提出的扫频光源拉曼光谱系统获得的拉曼光谱与从传统的色散拉曼光谱仪获得的拉曼光谱非常相似，相关系数范围为0.73至0.91，表明其识别两种类型样品的可行性。

利用扫频光源拉曼光谱系统获得的生物样品（猪腹部肉）拉曼光谱信息

值得注意的是，在拉曼光谱系统中，大量成本来自对高质量滤光片和光源的需求。扫频光源拉曼光谱系统面临着类似的挑战。为了保持低成本，研究人员在新系统中采用了信号处理方法。高斯滤波器用于消除不稳定激光输出引入的纹波噪声。采用反卷积方法来锐化拉曼光谱中的峰值并提高其分辨率。此外，利用多项式背景去除来消除由于滤光片的低光密度而产生的背景噪声。

总体而言，本文所提出的新系统为用于化学和生物样品分析的小型化拉曼光谱仪的未来发展奠定了基础。然而，新系统仍有改进的空间，特别是在减少样品的采集时间方面，目前需要40秒以上。为了在不到1秒的时间内检测生物样品，研究人员正在开发一种配备多个硅光检测器和带通滤光片的多通道扫频光源拉曼光谱系统，这有望在相同的时间内分析更广泛的生物分子，以实现更多样化的应用。

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

审核编辑：刘清