原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#拉曼光谱5个
撰稿

　　 Hua（哈尔滨工业大学 博士生）
表面增强拉曼散射（SERS）光谱仪利用样品表面附着金属良导体或溶胶后拉曼散射强度显著提升的性质对样品进行拉曼光谱测量，其具有高灵敏度测量样品分子组成成分的能力，被广泛地应用于药品监管、食品安全检测和生物细胞分析等重要领域。其原理是将特殊制备的金属附着于样品，通过表面效应增强自发拉曼散射信号（图1）。图1 SERS原理示意图
图源：Chem. Rev. 2018.Vol.118：4946. Fig.1
然而，SERS仍然存在许多缺陷，其中最为突出的是其成像速率较慢。一个复合结构表面的拉曼谱采集时间约为100ms。在探测具有单峰结构拉曼谱的样品时，这样的采集速率基本可以满足要求，例如对生物分子、有毒污染物、炸药，甚至微生物和细胞的定量检测。然而，过长的成像时间仍然限制了SERS在化学成像如粒子数追踪等方面的应用。
其采样时间主要由两个因素限制：
首先，SERS作为三阶光学非线性效应，效率较低，因此需要更长的曝光时间；
另一方面，一般的SERS显微镜采用共聚焦成像方式，为探测样品全貌，需要对样品逐点进行扫描，延长了采集时间。
针对SERS技术存在的缺陷，西班牙光子科学研究所ICFO的研究人员Matz Liebel等人提出了一种新型的SERS全息成像方案，有效提升成像速率，实现单发三维单粒子追踪定位。全息拉曼成像技术的出现代表着化学传感向多路复用即同时测量不同环境的应用迈进重要一步。
近期该成果以“Surface-enhanced Raman scattering holography”为题发表于Nature Nanotechnology。图源：Veer
为了提升SERS测量速率，作者主要从两个方面进行创新：样品SERS粒子操控及光谱采集技术革新。
对于样品，研究人员合成了直径16nm的高度各向同性纳米颗粒（材料为金），该纳米颗粒由多种不同的SERS活性分子编码，并将它们集合成直径约为100nm的超级团簇（图2a,b），它们的表面等离子体共振强度在波长792nm处达到最峰值，与原始单个颗粒相比，超级团簇SERS效应增强了2×1016倍。
这些由不同SERS特性编码的纳米颗粒构成的超级团簇是用于快速多路成像的理想介质，具有可再现性、易于制备和胶体稳定性等特点。图2 全息SERS原理及实验装置示意图
图源：Nat. Nanotechnol. (2020). Fig.1
对于成像系统数据采集和处理方面，作者摒弃了传统的共聚焦测量方案，利用宽场照明，并创新性地提出了对自发拉曼散射信号及进行全息成像的方案，同时记录图像的强度和相位信息，实现了数字图像传播，从而可以从单张图像中在对粒子进行3D定位。
全息SERS的实验装置示意图如图2c所示。其中配有线性驱动器的迈克尔逊干涉仪位于显微镜物镜和成像透镜之间，用作傅立叶变换光谱仪，可直接记录粒子辐射的频率成分。
接着，便对拉曼散射信号进行全息成像。考虑到SERS为非相干成像，传统全息成像技术要求的相干照明条件无法满足，因此，作者引入横向干涉的方案。
拉曼散射光经过一个由2D相位光栅和中继透镜组成的横向干涉仪，同时得到幅值和相位信息。其中，相位光栅产生四个具有不同波矢的一阶边带衍射图案，在相机处发生自相干并被记录。2D相位光栅与相平面相对位置的改变造成相机记录的四个点扩散函数发生位移（图3a），从而产生一个与光栅位置相关的相位梯度（图3b）。为了解调相位梯度，对原始图像进行傅里叶变换，滤波提取x或y方向的一阶边带，平移并做逆傅里叶变换便可得到相位信息（图3c），最后通过螺旋相位积分算法，将x和y方向的相位合并得到最终的相位图像（图3d）。在得到强度图像和相位图像的基础上，对其进行重聚焦，便可得到粒子的三维分布。图3 SERS图像相位提取示意图
图源：Nat. Nanotechnol. (2020). Fig.3
利用提出的全息SERS，作者成功实现了活体HeLa细胞的精确定位和三维追踪，实现了快速3D拉曼成像。
总的来说，本文提出了全息SERS成像技术，利用超级团簇大幅增强SERS作用强度，并且采用横向相干实现了SERS图像的振幅和相位同时提取。该技术有效加快了拉曼成像的成像速率，使其能够实现单粒子的三维追踪。
在本文的研究基础上，基于单次拉曼全息成像的光谱多路复用技术在活细胞内部化学感应以及用于防伪应用的复杂代码的生成等相关领域具有开阔的应用前景，最终有望通过该技术实现具有化学敏感性的细胞活性精确3D映射。而这些研究有助于实现早期感染检测，甚至发现新的细胞的疗法来对抗复发性恶性肿瘤，例如癌症。
文章信息
Liebel, M., Pazos-Perez, N., van Hulst, N.F. et al. Surface-enhanced Raman scattering holography. Nat. Nanotechnol.
论文地址
https://doi.org/10.1038/s41565-020-0771-9
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原标题：《全息拉曼成像：三维粒子“疾速追踪”》