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作者

徐昊、朱永康、陆彦飞、尹建华*

南京航空航天大学生物医学工程系

今天我们就来给大家介绍一下拉曼探头。 首先给大家简单介绍一下拉曼光谱技术和拉曼效应的发现者拉曼。

拉曼印度物理学家

拉曼是​​一位印度物理学家，因在光散射方面的工作和拉曼效应的发现而于 1930 年获得诺贝尔物理学奖。 他也是第一位获得诺贝尔物理学奖的亚洲科学家。

拉曼光谱技术是基于拉曼散射效应，分析与入射光频率不同的散射光谱，并利用获得的分子振动和旋转信息来研究分子的组成和结构。 在许多科学领域都有很好的效果。 开发和应用。

拉曼探针是拉曼光谱在临床实践中实际应用的重要介质。 它们可以快速、无创地检测组织样本，在疾病诊断、治疗和后续监测中发挥重要作用。 同时，仪器、光学和生产技术的不断发展也保证了各种拉曼应用设计的生产，促进了拉曼光谱的推广应用。

拉曼探针的结构

拉曼探头由激发光纤和收集光纤组成。 激发光纤将激光引导至目标区域，然后通过收集光纤收集并传输拉曼散射。

拉曼探针的基本结构简单，但拉曼信号极其微弱，容易被瑞利散射、荧光、非样品拉曼信号等各种杂散光覆盖。 因此，需要选择合适的光纤并优化拉曼探头及附件的设计。 主要包括光纤选择、探头尖端设计、加滤膜/片和探头后端优化等。拉曼系统的总体架构如下图所示，分为探头外接、探头后端和探头前端。

Turaman探针系统架构示意图

光纤选择

小町等人。 日本埼玉大学物理化学研究所定义了评价光纤的四个标准：数值孔径 (NA)、拉曼背景 (RB)、外径和成本。 NA大的光纤拉曼收集效率高，但光纤端面贴附的干涉滤光片显着降低了斜入射光的性能，导致大量杂散光进入。 在实际应用中，NA的选择需要综合考虑。 NA 对于光谱仪和光纤耦合效率也很重要。

RB 不容忽视。 如果光纤中产生的拉曼噪声与样品信号波段重叠，将严重影响采集信号的质量。 外径限制了最大探头直径。 探头用于活体检测时，常置于内窥镜仪器的通道内，限制了光纤的选择。 成本对于研究技术的商业化至关重要。

从研究的角度来看，Komachi 等人。 描述了收集纤维特性的选择，最终选择了相同的纤维用于激发和收集。 希姆等人。 提出具有低 OH 键的石英光纤是拉曼探头的最佳选择。 梅等人。 对不同直径的光纤进行拉曼检测。 光纤的拉曼背景光谱非常相似，主要来自纤芯，拉曼背景信号随着光纤NA的增大而增大，不随纤芯直径的变化而变化。 并且由于探头的整体直径有限，最终确定纤芯直径为200μm的光纤为最佳。 德利马等人。 测试了不同的光纤组合，较低 NA (0.12) 激发光纤和较高 NA (0.22) 收集光纤的组合可以最大限度地减少光纤探头的拉曼背景信号。

随着光纤生产技术的提高，光纤选型将不断优化。 例如，Meksiarun 等人。 和山本等人。 使用中空光纤（低 NA）作为探针。 激发面积小，提高了激发效率拉曼光纤光谱仪，中空光纤几乎不产生拉曼背景信号。

光纤材料的发展也为探头设计提供了更多选择。 Okagbare 等人。 提出采用以聚全氟丁烯基乙烯基醚（Cytop）为芯的渐变折射率碳氟纤维，激光将在纤维中激发。 C—F键伸缩振动的拉曼信号，实验证明该方法可以有效减弱光谱中二氧化硅波段的干扰。

探针尖端设计

探针尖端的设计与激光激发和拉曼散射收集的光路有关，对激发和收集效果有很大影响。 顶层设计要求减小激光发散角，同时保证收集光纤尽可能收集来自激发区的散射光。

目前有两种设计思路：1）加镜头； 2）用斜角切割光纤端面。 镜片相对容易加工。 例如，Motz在透镜前加了一个球透镜，光纤端面的倒角对光纤的加工技术要求极高。

史蒂文斯等人。 分析了镜头顶部的光路。 如下图所示，他们简要描述了探头顶部未处理、斜面处理和球透镜三种情况的光路。 面积大，激发区和收集区重叠，提高了收集效率。

图 光路示意图：平面端面光纤探头（左）、斜面端面光纤探头（中）、透镜耦合光纤探头（右）

王等。 对各种设计的探头尖端进行了详细的实验比较，并根据临床内窥镜检查在体上皮组织拉曼测量的实验结果，开发了斜面光纤结合球透镜的拉曼探头。 通过内窥镜检查上皮组织早期癌症的体内诊断。 莫等。 也相信前端设计可以增加拉曼检测的样品深度选择性。

滤膜/片

在拉曼检测中，拉曼探头会产生多种杂散信号，包括光纤拉曼信号、瑞利散射和荧光等。如前所述，低OH键石英光纤是拉曼探头的最佳选择，但仍需加入光纤远端的带通滤光片/片，用于抑制杂散信号，带通滤光片/片的中心波长为激光波长。

瑞利散射与激光波长相同，采集光纤的拉曼信号由激光反射和瑞利散射激发。 需要在采集光纤前端加带阻滤光片/片，不能影响有效拉曼光的通过。 多肖等。 和张玉静等人。 在收集路径中加入光纤布拉格光栅（FBG）作为带阻滤波器，有效降低了拉曼背景噪声。 小町等人。 提出了过滤膜/片材的选择思路和加工细节。 由于拉曼位移与激光频率无关，不同物质产生的荧光范围不同，因此可选择能避开样品荧光波段的激发光，避免荧光干扰。

探测后端优化

探头后端优化主要是优化采集光纤末端与光谱仪之间的耦合，直接影响拉曼信号的传输效率。 黄等。 将收集光纤扩展成抛物线弧并将其耦合到光谱仪，取代了标准的线性排列。 入射在光栅上的倾斜光线将狭缝曲面的图像投射到电荷耦合器件 (CCD) 上，降低了系统的信噪比 (S/N) 和光谱分辨率。 使用软件和硬件对 CCD 像素进行 bin 可以在一定程度上克服这种影响，使用抛物线弧可以将 S/N 提高到纯软件 binning 的 20 倍。 抛物线顶部的光纤（校准光纤）是不透明的，在CCD上是一个暗点拉曼光纤光谱仪，可以确定光纤在CCD上的垂直成像位置，测量图像的曲率，以及最终拟合决定采集光纤末端排列的抛物线。

总结

拉曼光谱已被证明在许多临床分析和诊断方面具有巨大潜力，而拉曼探针是拉曼光谱实际应用的核心工具。

除了优化探针材料的选择、探针尖端设计、探针滤波器模块和外部耦合设计，拉曼探针在未来还需要设计创新和改进。 将拉曼、荧光等多种光谱成像方法集成到单一探针中是未来的发展趋势，需要开发出更加丰富和优化的拉曼探针以满足各种应用需求。 未来，拉曼光谱在体内诊断、手术靶向和治疗监测等生物医学领域，乃至其他学科都有很好的应用前景。

参考文献：徐浩，朱永康，陆燕飞，尹建华。 拉曼探针的研制及其生物医学应用[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(11): 110005