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相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS)简介

发表时间:2022-02-23  |  点击率:304

相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS)

相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS) 是一种非线性四波混合过程,用于增强弱(自发)拉曼信号。在 CARS 过程中,泵浦激光束(在泵浦频率)和斯托克斯激光束(在斯托克斯)相互作用,产生一个反斯托克斯信号,频率为CARS = 2泵浦-斯托克斯。斯托克斯光束 ( Stokes ) 通常由来自 Nd:Vanadate 激光器的 1064nm 线提供,该激光器还充当光学参量振荡器 (OPO) 的泵浦源,而来自 OPO (680-1010nm) 的输出充当泵梁(泵)。当泵和斯托克斯光束之间的频率差(拍频)与(拉曼主动)振动模式的频率相匹配时,例如~2800 cm -1处的 CH 2对称拉伸模式,分子振荡器被相干驱动。这导致增强的反斯托克斯(较短波长)拉曼信号,这是提高 CARS 显微镜振动对比度的基础。

图 1:相干反斯托克斯散射 (CARS) 能量图和实验装置示意图。
CARS 显微镜

从 CARS 显微镜的发展中受益匪浅的两个领域是细胞生物学和组织成像。通常,细胞询问是使用荧光显微镜进行的。借助 CARS,可以在亚微米级进行化学特异性、无标记成像。迄今为止,CARS 显微镜已显示其在活组织中的脂质代谢、细胞器转运和药物扩散(药代动力学)研究中的潜力。CARS 显微镜也已用于临床应用,并且已经证明了健康脑组织中肿瘤块的快速、视频速率成像。

图 2:来自固定组织样本的棕榈酸胆固醇的 CARS 显微镜图像。

左侧的图像是使用 CARS 显微镜实验中常用的发射滤光片获得的。

右侧的图像是使用 Semrock 产品 FF01-625/90 获得的,在相同的样本 ROI 上显示了增强的图像对比度。获取这些图像时使用了相同的激光强度和 PMT 设置

受激拉曼散射 (SRS)

在 SRS 显微镜中,与 CARS 显微镜一样,泵浦光子和斯托克斯光子都入射到样品上。如果频率差SRS = pum p - Stokes匹配分子振动 ( vib) 发生振动过渡的受激激发。与 CARS 不同的是,在 SRS 中,没有与激光激发波长不同的波长的信号。相反,泵浦波长处的散射光强度经历受激拉损耗 (SRL),而斯托克斯波长处的散射光强度经历受激拉增益 (SRG)。SRS 显微镜相对于 CARS 显微镜的主要优势在于它提供了具有改进图像对比度的无背景化学成像,这两者对于生物医学成像应用都很重要,其中水代表样品中非共振背景信号的主要来源。

图 1:SRS 四波混频过程的受激拉曼散射 (SRS) 能量图(右)。无标记刺激拉获得人类黑素细胞中脂质的成像。

表面增强拉曼散射 (SERS)

拉曼信号本质上很弱,尤其是在使用可见光激发时,因此可用于检测的散射光子数量很少。放大弱拉曼信号的一种方法是采用表面增强拉曼散射 (SERS)。SERS 使用纳米级粗糙金属表面,通常由金 (Au) 或银 (Ag) 制成。这些粗糙金属纳米结构的激光激发共振驱动表面电荷,产生高度局部化(等离子体)光场。当分子被吸收或靠近表面的增强场时,可以观察到拉曼信号的大幅增强。比正常拉曼散射大几个数量级的拉曼信号很常见,因此可以检测低浓度 (10 -11) 无需荧光标记。当粗糙的金属表面与与分子的吸收最大值匹配的激光结合使用时,拉曼信号可以被进一步放大。这种效应被称为表面增强共振拉曼散射 (SERRS)

图 1:SERS 的概念图。

SERS 越来越多地用于各种应用,包括:

基本分析化学测试

药物发现

法医现场测试

检测痕量的化学和生物威胁剂

即时 (POC) 医疗诊断设备

图 2:SERS 示例:来自纯白色念珠菌、纯大肠杆菌和两者混合物的 SERS 光谱。特征峰由阴影框表示

 

 

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