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基于压缩感知的多焦点共聚焦拉曼光谱并行化采集技术

拉曼光谱通过探测分子化学键的振动和转动模式实现分子结构的指纹识别。作为一种无标记、无损伤的光谱定量检测技术,拉曼光谱已经广泛用于生物检测、疾病诊断、药物筛选以及材料表征等多个领域。


将共聚焦拉曼光谱与激光扫描显微成像相结合形成的拉曼高光谱成像技术,不仅可以获得样品的光谱信息,还可以获得目标分子的高分辨率空间分布。然而,由于散射截面小,自发辐射的拉曼光谱信号一般比较微弱,拉曼高光谱成像需要较长的采集时间。因此,基于传统的共聚焦拉曼成像技术难以用于快速过程的实时检测。并行化拉曼光谱采集技术同时采集多个位点的拉曼信号,是解决该问题的一种有效途径。


此前,多个研究小组采用不同的途径将二维激光阵列激发的拉曼光谱投影到光谱采集相机的不同行像素上,实现了共聚焦拉曼光谱的并行化采集。然而,这些方案的并行化程度受到相机行像素点数目的制约。此后,曾有课题组尝试将光谱并行化采集方案拓展到二维,但是这些技术均需要多次测量才能获得所有微区的拉曼信号。让人振奋的是,天津大学、广西科学院和美国东卡莱罗纳大学的联合研究小组最近采用压缩感知技术,只需要一次曝光就可获得二维激光阵列的所有光谱信号,将共聚焦拉曼光谱采集的速度提高了2-3个数量级


该技术采用了一对高速扫描振镜,来产生二维多焦点激光阵列,并行激发多个微区的拉曼信号,并同步扫描位于光谱仪前的第二对扫描振镜,将不同焦点的拉曼信号投影到光谱采集CCD相机的不同行和列像素上,从而实现光谱信号的二维并行化高速采集。利用光谱信号的先验知识,将每个焦点的光谱信号投影到光谱的主要分量上,求解线性可逆问题即可一次性、准确地重建出所有焦点的拉曼光谱信号。此外,重建的拉曼光谱可有效抑制高频噪声,提高测量的信噪比。


该技术将可广泛应用于快速动力学过程如化学反应、生物响应过程等的无标记、无损监测。这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上。


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Single-Acquisition 2-D Multifocal Raman Spectroscopy Using Compressive Sensing

Pengfei Zhang, Guiwen Wang, Xiujuan Zhang, Yong-qing Li

Anal. Chem., 2020, 92, 1326-1332, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b04495


张鹏飞博士简介


张鹏飞,天津大学副教授。2008年毕业于中科院上海光学精密机械研究所,获光学博士学位。曾工作于美国东卡莱罗纳大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室、圣路易斯华盛顿大学,现就职于天津大学精密仪器与光电子工程学院。研究领域为激光操控、激光光谱以及光学成像等相关研究,在Light:Science & Applications, Nature Protocol, Analytical Chemistry, Photonics Research, Analytica Chimica Acta, Analyst, Optics Letters, Optics Express 等期刊上发表SCI论文近50篇。


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