拉曼全息技术对活细胞、组织检测的应用研究

（西班牙卡斯特德尔费尔斯）2020年12月16日，来自光子科学研究所（ICFO）的研究人员成功演示了全息拉曼显微镜技术。该技术具备广泛的应用潜力，预计可用于活细胞、组织检测，甚至用于防伪识别。

由于自发拉曼散射比荧光弱10个数量级以上，其很少被实际使用。但在金属表面或者金属纳米间隙中，拉曼散射将被显著增强，且其强度可超过荧光。因此，表面增强拉曼散射（SERS）纳米探针是生物传感应用的有力候选者，尽管其有效性取决于单个颗粒的大小、稳定性和亮度，但它具有避免分子畸变的优势。

采用SERS对活细胞进行跟踪

（每个粒子的轨迹都编码为颜色，以显示在空间中各自的z位置。由ICFO/URV提供。）

ICFO的研究人员提出的方法解决了SERS探针成像法的关键问题。据研究人员称，这项工作始于一个疑问：“我们能让单个SERS光子产生自干扰吗？”

  研究人员告诉光子学媒体，假如你有一张使用宽场显微镜获得的样品图像，其图像是由不连贯的光线、以及自发拉曼散射产生的光子组成，为了获得更多信息，观察者需要去测量其相位信息。但由于光不连贯，观察者无法将其与另一个光子进行比较。而不连贯的光子之间表现出随机相位，他们之间可利用的的扰动标签也会消失。

获得相位信息的唯一方法是使用单个光子作为自己的参考，但是如果一个相位干扰两个具有相同相位的波，则相位项将消失。

为了解决这个问题，ICFO的ICREA教授Nikek van Hulst和Rovira i Virgili大学的Ramon Alvare-Puebla等研究人员从纳米颗粒中合成了等离子体超团簇，在有限的簇尺寸下产生了极强大的电场。这使得SERS纳米探针的显示非常清晰明亮，且在近红外线下仅需要非常低的光照即可达成目标，从而降低了细胞成像失败的可能性，并实现了广域的拉曼成像。

研究人员通过剪切干涉仪实现了自干扰，该设备使用二维光栅生成四个图像副本，然后这些副本通过中继成像系统在相机上重新组合。每个单独的光子将通过干涉仪所有的可能路径，并最终在相机上形成自干扰。

这种设计使得研究人员可以通过轻微移动光栅来测量图像的相位导数。当移动光栅时，四张图像副本将不再完美地重新组合，而是以带有轻微偏移的形式到达相机。这种方法可以直接获得相位导数，进而使研究者得到真实的相位。

研究人员向我们展示了对广域拉曼图像的傅里叶变换拉曼光谱，并从单次拍摄中定位到了三维空间中的单个SERS粒子，然后他们利用这些技术实现了在活细胞内对单个SERS纳米颗粒的识别和监测。

为了进一步发展这项技术，研究人员正在设计下一代SERS探针，其可用于细胞内部的浓度映射，并正在采用剪切干涉仪进行多路复用SERS成像。他们还在为快速诊断光学设备发展多路复用阵列。

这项研究发表于《自然-纳米技术》（www.doi.org/10.1038/s41565-020-0771-9）

Photonics.com，2020 年 12 月