团队开发用于化学和生物医学应用的便携式扫源拉曼光谱仪

1928年，印度物理学家CVRaman爵士和他的同事KSKrishnan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。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首选方法。然而，捕获和检测散射光所需的光谱仪体积庞大，限制了它们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针对化学分析而开发。

在《生物医学光学杂志》上发表的一项研究中，来自韩国科学技术院(韩国)和麻省理工学院(MIT;美国)的研究人员开发了一种紧凑型扫源拉曼光谱(SS-Raman))光谱系统。

SS-拉曼的概念是在之前的专利中提出的，但由于缺乏窄带通滤波器，直到最近才实现。该系统在识别化学和生物材料方面的能力可与传统色散拉曼光谱相媲美。该便携式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。

传统的拉曼光谱系统使用固定波长光源(例如激光)来激发样品并引起拉曼散射。相比之下，SS-拉曼光谱使用扫频激光，可发出连续波长范围的光。

激发光经过短通滤波器过滤后聚焦到样品上，消除了背景噪声。散射光由透镜收集并由带通滤波器过滤，该滤波器仅隔离所需的拉曼位移波长范围。然后，高灵敏度硅光接收器检测过滤后的光，将光信号转换为电信号以进行样品分析。

“所提出的SS-拉曼装置使用波长扫频源激光器(822至842nm)、窄带带通滤波器和用于获取拉曼光谱的高灵敏度点光电接收器。这些组件有助于开发紧凑且成本低廉的该研究的通讯作者之一、麻省理工学院的JeonWoongKang博士指出。

为了评估该系统的有效性，研究人员将新系统的拉曼光谱与使用传统色散拉曼光谱对各种化学和生物样品获得的拉曼光谱进行了比较。苯丙氨酸、羟基磷灰石、葡萄糖和对乙酰氨基酚等多种化学品被认为是获得900至1,200cm-1范围内的拉曼光谱的化学样品。

对于生物样本，他们扫描了猪腹部切片的横截面。从所提出的SS-拉曼光谱系统获得的拉曼光谱与从传统色散拉曼光谱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。

值得注意的是，在拉曼光谱系统中，大量费用来自对高质量滤光片和光源的需求。SS系统面临着类似的挑战，由于带通滤波器，背景噪声和拉曼光谱显示出宽峰。

为了保持低成本，研究人员在系统中应用了信号处理方法。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，所提出的系统为化学和生物分析小型化拉曼光谱的未来发展奠定了基础。然而，仍有改进的空间，特别是在减少样本采集时间方面，目前需要40秒以上。为了在不到一秒的时间内测量生物样本，研究人员正在开发一种配备多个检测器和带通滤波器的多通道SS-拉曼系统，这有望在相同的时间内分析更广泛的分子，以实现更多样化的应用。