拉曼光谱仪的光学微型化妄想钻研

拉曼光谱学（Raman spectroscopy）提供了一种微尺度下对于化学成份的光谱光学无损、无标志定量钻研本领。仪的研现有的微型拉曼光谱仪微型化策略主要存在如下下场：光谱分说率及光谱规模缺少、高水平传感器暗噪声导致的化妄信噪比（SNR）受限、传感器像素间的想钻量子功能（QE）变更较大、共焦性或者深度分层差、光谱光学激光波长以及激光器光功率不晃动、仪的研激光光学反映锐敏度高以及功耗高。微型

据麦姆斯咨询报道，化妄克日，想钻丹麦技术大学（Technical University of Denmark）的光谱光学科研团队提出了一种厘米级微型拉曼光谱仪，接管了经济型非晃动激光二极管、仪的研密集光学元件以及非制冷小型传感器。微型其功能可与高尚、化妄体积重大的想钻科研级拉曼零星相媲美。该微型拉曼光谱仪具备卓越的锐敏度、低功耗、欠缺的波数以及强度校准，并在400 ~ 4000 cm⁻¹规模内运用内置参考基准实现为了7 cm⁻¹的分说率。该微型拉曼光谱仪的高功能以及通用性在运用实例中患上到了证实，运用实例搜罗饮品中甲醇的定量测定、人体皮肤的活体拉曼丈量、发酵监测、亚微米分说率的化学拉曼映射、抗癌药物甲氨蝶呤（MTX）的定量概况增强拉曼光谱（SERS）映射以及体外细菌判断等。可能预见，这种微型化策略有望使超松散型拉曼光谱仪集成到智能手机以及医疗配置装备部署中，从而增长拉曼技术的普遍。相关钻研下场以“Optics miniaturization strategy fordemanding Raman spectroscopy applications”为主题宣告在Nature Co妹妹unications期刊上。该论文的第一作者以及通讯作者均为Oleksii Ilchenko。

拉曼光谱仪的微型化

拉曼零星的微型化主要搜罗：（1）光谱仪的微型化；（2）拉曼光束传输道路的微型化；（3）激光光束传输道路的微型化；（4）分束装置的微型化；（5）采样光学元件的微型化。因此，除了光谱仪自己外，微型化还会影响激光器的抉择。这项钻研从激光器相关下场开始论述其微型拉曼光谱仪。

该钻研所研制的微型拉曼光谱仪的光学妄想如图1a所示。近红外（NIR）增强成像CMOS传感器在800 ~ 960 nm波段同时收集了“指纹”规模（400 ~ 2700 cm⁻¹）的两个拉曼光谱（即主通道以及参考通道），如图1c所示。

图1 微型化拉曼零星的光学妄想及使命道理

拉曼光谱仪的锐敏度很大水平上取决于探测器的暗噪声。为了在不清晰飞腾锐敏度的条件下实现微型化，钻研职员接管了具备4 µm小像素尺寸的CMOS传感器，并运用高数值孔径（NA）成像镜头（图1a中的L6）将拉曼光谱信号缩短到传感器上的单行中（如图2a）。信号缩短带来的短处主要有：（1）最大限度后退每一个像素的信噪比；（2）防止对于具备非需要格外暗噪声的额内行妨碍平均。试验展现，SERS信号总强度等量扩散在CMOS传感器的20行中（如图2b）。该微型拉曼光谱仪接管非波长晃动激光器，这使其可能抵偿另一个锐敏度限度因素，即光谱传感器像素间的QE变更（如图2e）。

图2 微型化拉曼零星的锐敏度以及量化功能论证

这项钻研接管了一种离轴激光光束传输措施，该措施防止了激光反向反射进入激光孔径，同时后退了微型化能耐（如图2h）。除了激光光学阻止外，离轴激光光束传输还反对于空间偏移拉曼光谱（SORS）条件，使其防止样品外部离焦层发生不用要的荧光。

微型拉曼光谱仪的运用实例

随后，钻研职员分说在五个运用实例中证明了该微型拉曼光谱仪的高功能以及通用性。

运用实例一：伏特加中有毒甲醇的定量测定。为了证实该微型拉曼光谱仪的锐敏度以及定量功能，钻研职员对于含有差距浓度甲醇的伏特加样品妨碍了丈量。甲醇定量的偏最小二乘法（PLS）校准服从如图2l至图2p所示，检测限（LoD）为0.07%，定量限（LoQ）为0.25%。

运用实例二：发酵历程中营养物资以及代谢物的定量测定。钻研职员运用微型拉曼光谱仪对于大肠杆菌哺育历程中发生的pHCA妨碍离线定量测定，直接丈量了细菌上清液样品的拉曼信号（如图3g）。服从表明，该微型拉曼光谱仪具备较高的锐敏度，pHCA的检测限约为0.01 g/L，葡萄糖的检测限约为1 g/L。

图3 用于发酵监测以及活体皮肤丈量的微型拉曼光谱仪

运用实例三：活体皮肤丈量。活体皮肤丈量个别需要重大的拉曼仪器，这是由于皮肤的拉曼横截面较小，特意是在深度逾越100 μm时，需要深度制冷传感器。图3j以及图3k揭示了松散型皮肤探针。该探针可能优化差距深度的皮肤丈量（0 ~ 150 µm）。当微型拉曼光谱仪装备这种探针时，可能收集10 ~ 20 µm深度的皮肤拉曼光谱，信噪比优于500:1（1 s曝光光阴，一再5次）。图3n至3s展现了两种激光（785 nm以及675nm）在差距皮肤地域（手指、手以及面颊）取患上的拉曼光谱。

该微型拉曼光谱仪的光学妄想接管了交织狭缝共焦意见（如图4a以及图4b），可妨碍共焦丈量。该微型化拉曼显微镜是当初所报道的最小的共焦拉曼零星，其妄想并未舍身拉曼零星的根基功能。下面介绍了两种具备挑战性的拉曼显微镜运用，这些运用个别需要运用装备深度制冷传感器的科研级零星。

图4 用于生物医学拉曼显微镜运用的微型化拉曼零星

运用实例四：经由SERS映射定量抗癌药物。钻研服从表明，接管装备深度制冷EMCCD的科研级拉曼显微镜妨碍SERS映射的纳米柱辅助分说（NPAS）措施，可能在5 ~ 150 μM的线性规模内丈量PBS中的MTX，检测限为5 μM，定量限为25 μM。钻研职员还运用NPAS措施对于SERS芯片概况妨碍SERS映射（如图4g）。

运用实例五：体外细菌判断。在这方面，仅需一个步骤，拉曼光谱有望实现快捷、无标志、无哺育的判断以及抗菌药敏试验（AST）。本试验中，钻研职员运用该微型化拉曼显微镜来丈量与以前宣告报道中残缺相同的细菌分说物，当时钻研运用了装备深度制冷CCD的科研级拉曼显微镜（如图4n），同时接管了残缺相同的样品制备历程以及数据合成，测患上的差距细菌的拉曼光谱如图4m所示。

综上所述，这项钻研的根基策略是环抱拉曼频移以及激光强度的内置实时校准，并经由多种数据处置算法辅助来实现拉曼光谱仪的微型化。此外，该微型化策略还搜罗：飞腾传感器暗噪声、抵偿像素间的QE变更、激光光学阻止以及坚持高光谱分说率。此外，该钻研的微型化策略还提供了珍贵的移频激发差分拉曼光谱（SERDS）以及空间偏移拉曼光谱（SORS）功能。与典型的手持式拉曼配置装备部署比照，该光谱仪在光谱分说率、信噪比、操作豫备光阴、波数以及强度校准精度等大少数紧张参数上均有改善。此外，该微型光谱仪的部份功能可与高端台式拉曼光谱仪以及显微镜相媲美。该钻研措施提供的高功能以及普遍适用性便于其重大集成到种种仪器以及多种运用中。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47044-7

审核编纂：刘清