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今天我們要給大家介紹的是拉曼探頭，首先給大家簡單介紹下拉曼光譜技術(shù)以及拉曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)人拉曼。
拉曼是一位印度物理學(xué)家，因光散射方面的研究工作和拉曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，拉曼獲得了1930年度的諾貝爾物理學(xué)獎。他也是第一位獲得諾貝爾物理學(xué)獎的亞洲科學(xué)家。
拉曼光譜技術(shù)是基于拉曼散射效應(yīng)，對與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析，將得到的分子振動、轉(zhuǎn)動信息用于研究分子組成結(jié)構(gòu)的分析技術(shù)，在眾多科學(xué)領(lǐng)域都有很好的發(fā)展和應(yīng)用。
拉曼探頭是將拉曼光譜技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于臨床的重要媒介，能快速非侵入性檢測組織樣本，在疾病診斷治療及后續(xù)監(jiān)護(hù)中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，儀器、光學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展也保障了各種拉曼應(yīng)用設(shè)計(jì)的生產(chǎn)，推動了拉曼光譜技術(shù)的普及應(yīng)用。
1、拉曼探頭的結(jié)構(gòu)
拉曼探頭由激發(fā)光纖和收集光纖構(gòu)成，激發(fā)光纖引導(dǎo)激光至目標(biāo)區(qū)域，再通過收集光纖將拉曼散射收集傳輸出來。
拉曼探頭基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，但拉曼信號極其微弱，容易被各種雜散光如瑞利散射、熒光和非樣品拉曼信號等覆蓋，因此需要選擇合適的光纖并優(yōu)化拉曼探頭及配件設(shè)計(jì)，主要包括光纖選擇、探頭頂端設(shè)計(jì)、添加過濾膜/片和探頭后端優(yōu)化等。拉曼系統(tǒng)的一般架構(gòu)如下圖所示，分為探頭外接、探頭后端和探頭前端。
圖 拉曼探頭系統(tǒng)架構(gòu)示意
2、光纖選擇
日本埼玉大學(xué)理化學(xué)研究所的Komachi等定義了評估光纖的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：數(shù)值孔徑(NA)、拉曼背景(RB)、外徑和成本。NA較大的光纖的拉曼收集效率高，但附著在光纖端面的干涉濾光片對具有傾斜入射角的光性能顯著降低，導(dǎo)致大量雜散光進(jìn)入，實(shí)際應(yīng)用中NA的選取需綜合考慮。NA對于光譜儀和光纖耦合效率也很重要。
RB也不容忽視，光纖內(nèi)產(chǎn)生的拉曼噪聲如果與樣本信號波段重疊，將嚴(yán)重影響采集信號質(zhì)量。外徑限制了探頭最大直徑。探頭用于體內(nèi)探測時(shí)往往放置于內(nèi)窺鏡儀器通道內(nèi)，使光纖選擇受限。對于研究技術(shù)的商業(yè)化來說，成本至關(guān)重要。
從研究上來看，Komachi等描述了收集光纖特性的選擇，并最終選擇相同光纖用于激發(fā)和收集。Shim等提出，低OH鍵二氧化硅光纖是拉曼探頭的最佳選擇。May等對不同直徑光纖做了拉曼檢測，光纖的拉曼背景光譜非常相似，主要來自光纖纖芯，且拉曼背景信號隨著光纖的NA增加而增加，不隨纖芯直徑的變化而變化，又因探頭的整體直徑受限，最后確認(rèn)200 μm芯徑的光纖最佳。de Lima等測試了不同的光纖組合，較低NA(0.12)的激發(fā)光纖和較高NA(0.22)的收集光纖的組合可以最小化光纖探頭的拉曼背景信號。
光纖選擇會隨光纖生產(chǎn)工藝的提升不斷優(yōu)化，如Meksiarun等和Yamamoto等將中空光纖(低NA)運(yùn)用于探頭，其激發(fā)區(qū)域小，激發(fā)效率提高，且中空光纖幾乎不產(chǎn)生拉曼背景信號。
光纖材料的發(fā)展也為探頭設(shè)計(jì)提供了更多選擇，Okagbare等提出，使用以聚全氟-丁烯基乙烯基醚(Cytop)為纖芯的漸變折射率碳氟光纖，激光會在光纖中激發(fā)C—F鍵伸縮振動的拉曼信號，實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠有效削弱光譜中二氧化硅譜帶的干擾。
3、探頭頂端設(shè)計(jì)
探頭頂端設(shè)計(jì)關(guān)系到激光激發(fā)及拉曼散射收集的光路，對于激發(fā)和收集效果影響極大，頂端設(shè)計(jì)要求減少激光發(fā)散，同時(shí)保證收集光纖盡量收集來自激發(fā)區(qū)域的散射光。
目前設(shè)計(jì)思路有兩種：1）增加透鏡；2）將光纖端面斜面切割。透鏡相對容易加工，如Motz等在透鏡前添加了球透鏡，而將光纖端面斜切對于光纖的加工工藝要求極高。
Stevens等進(jìn)行了透鏡頂端光路分析，如下圖所示，簡單描述了探頭頂端未處理、斜面處理和加球透鏡三種情況下的光路，可以明顯看出，斜面處理和增加球透鏡有利于縮小激發(fā)區(qū)域，且激發(fā)與收集區(qū)域重疊，收集效率提高。
圖 光路示意圖：平面端面光纖探頭（左）、斜面端面光纖探頭（中）、透鏡耦合光纖探頭（右）
Wang等對探頭頂端的各種設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)實(shí)驗(yàn)比較，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果開發(fā)了一種斜面光纖結(jié)合球透鏡的拉曼探頭，用于臨床內(nèi)窺鏡檢查期間的體內(nèi)上皮組織拉曼測量，豐富了內(nèi)窺鏡檢查對上皮組織中早期癌變的體內(nèi)診斷方法。Mo等也認(rèn)為前端設(shè)計(jì)可以增加拉曼檢測的樣品深度選擇性。
4、過濾膜/片
在拉曼檢測中，拉曼探頭會產(chǎn)生幾種雜散信號，包括光纖拉曼信號、瑞利散射和熒光等。前面已經(jīng)提到，低OH鍵二氧化硅光纖是拉曼探頭的最佳選擇，但仍需要在光纖遠(yuǎn)端添加帶通濾光膜/片來抑制雜散信號，帶通濾光膜/片的中心波長為激光波長。
瑞利散射與激光波長相同，且收集光纖的拉曼信號由激光反射與瑞利散射激發(fā)，需要在收集光纖前端加帶阻濾光膜/片，且不能影響有效拉曼光的通過。Dochow等和張宇菁等在收集路徑中加入光纖布拉格光柵(FBG)作為帶阻濾波器，有效減少了拉曼背景噪聲。Komachi等提出了濾光膜/片的選擇思路及加工等細(xì)節(jié)。由于拉曼位移與激光頻率無關(guān)，且不同物質(zhì)產(chǎn)生熒光的范圍不同，可以選擇能避開樣本熒光帶的激發(fā)光，從而避免熒光干擾。
5、探頭后端優(yōu)化
探頭的后端優(yōu)化主要是優(yōu)化收集光纖尾端與光譜儀的耦合，從而直接影響拉曼信號傳輸效率。Huang等把收集光纖展開成拋物線弧狀再耦合到光譜儀，取代標(biāo)準(zhǔn)的直線排列。入射在光柵上的斜射線把狹縫的曲面圖像投射到電荷耦合器件(CCD)上，降低了信噪比(S/N)和系統(tǒng)的光譜分辨率。利用軟件和硬件將CCD像素合并可有限克服該影響，且拋物線弧的使用可將S/N提高到純軟件合并的20倍。拋物線頂端光纖(校準(zhǔn)光纖)不通光，其在CCD上是一個(gè)暗點(diǎn)，可確定光纖豎列在CCD上的成像位置，測量圖像曲率，最后擬合確定收集光纖尾端排列的拋物線。
總結(jié)
拉曼光譜技術(shù)已被證明具有巨大的用于眾多臨床分析診斷的潛力，而拉曼探頭為拉曼光譜技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的核心工具。
除了優(yōu)化對探頭材料的選擇、探頭頂端設(shè)計(jì)、探頭過濾模塊以及外接耦合設(shè)計(jì)，拉曼探頭未來仍需要設(shè)計(jì)創(chuàng)新及提升，將拉曼和熒光等多種光譜成像方式集成到單個(gè)探頭是未來發(fā)展趨勢，需研發(fā)更豐富更優(yōu)化的拉曼探頭來滿足各種應(yīng)用需求。未來拉曼光譜在在體診斷、手術(shù)靶向和治療監(jiān)測等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域甚至其他學(xué)科擁有非常好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：徐浩， 朱勇康， 陸燕飛， 尹建華. 拉曼探頭的發(fā)展及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展， 2019,56(11): 110005
文章作者：徐浩，朱勇康，陸燕飛，尹建華，南京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系
文章鏈接：拉曼探頭的組成結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)
文字報(bào)道：董榮錄
文章編輯：董榮錄
