今天我们要给大家介绍的是拉曼探头，首先给大家简单介绍下拉曼光谱技术以及拉曼效应的发现人拉曼。

拉曼是一位印度物理学家，因光散射方面的研究工作和拉曼效应的发现，拉曼获得了1930年度的诺贝尔物理学奖。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，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析，将得到的分子振动、转动信息用于研究分子组成结构的分析技术，在众多科学领域都有很好的发展和应用。

拉曼探头是将拉曼光谱技术实际应用于临床的重要媒介，能快速非侵入性检测组织样本，在疾病诊断治疗及后续监护中发挥重要作用。同时，仪器、光学和生产技术的不断发展也保障了各种拉曼应用设计的生产，推动了拉曼光谱技术的普及应用。

1、拉曼探头的结构

拉曼探头由激发光纤和收集光纤构成，激发光纤引导激光至目标区域，再通过收集光纤将拉曼散射收集传输出来。

拉曼探头基础结构简单，但拉曼信号极其微弱，容易被各种杂散光如瑞利散射、荧光和非样品拉曼信号等覆盖，因此需要选择合适的光纤并优化拉曼探头及配件设计，主要包括光纤选择、探头顶端设计、添加过滤膜/片和探头后端优化等。拉曼系统的一般架构如下图所示，分为探头外接、探头后端和探头前端。

图 拉曼探头系统架构示意

2、光纤选择

日本埼玉大学理化学研究所的Komachi等定义了评估光纤的4个标准：数值孔径(NA)、拉曼背景(RB)、外径和成本。NA较大的光纤的拉曼收集效率高，但附着在光纤端面的干涉滤光片对具有倾斜入射角的光性能显著降低，导致大量杂散光进入，实际应用中NA的选取需综合考虑。NA对于光谱仪和光纤耦合效率也很重要。

RB也不容忽视，光纤内产生的拉曼噪声如果与样本信号波段重叠，将严重影响采集信号质量。外径限制了探头最大直径。探头用于体内探测时往往放置于内窥镜仪器通道内，使光纤选择受限。对于研究技术的商业化来说，成本至关重要。

从研究上来看，Komachi等描述了收集光纤特性的选择，并最终选择相同光纤用于激发和收集。Shim等提出，低OH键二氧化硅光纤是拉曼探头的最佳选择。May等对不同直径光纤做了拉曼检测，光纤的拉曼背景光谱非常相似，主要来自光纤纤芯，且拉曼背景信号随着光纤的NA增加而增加，不随纤芯直径的变化而变化，又因探头的整体直径受限，最后确认200 μm芯径的光纤最佳。de Lima等测试了不同的光纤组合，较低NA(0.12)的激发光纤和较高NA(0.22)的收集光纤的组合可以最小化光纤探头的拉曼背景信号。

光纤选择会随光纤生产工艺的提升不断优化，如Meksiarun等和Yamamoto等将中空光纤(低NA)运用于探头，其激发区域小，激发效率提高，且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等提出，使用以聚全氟-丁烯基乙烯基醚(Cytop)为纤芯的渐变折射率碳氟光纤，激光会在光纤中激发C—F键伸缩振动的拉曼信号，实验证明，该方法能够有效削弱光谱中二氧化硅谱带的干扰。

3、探头顶端设计

探头顶端设计关系到激光激发及拉曼散射收集的光路，对于激发和收集效果影响极大，顶端设计要求减少激光发散，同时保证收集光纤尽量收集来自激发区域的散射光。

目前设计思路有两种：1）增加透镜；2）将光纤端面斜面切割。透镜相对容易加工，如Motz等在透镜前添加了球透镜，而将光纤端面斜切对于光纤的加工工艺要求极高。

Stevens等进行了透镜顶端光路分析，如下图所示，简单描述了探头顶端未处理、斜面处理和加球透镜三种情况下的光路，可以明显看出，斜面处理和增加球透镜有利于缩小激发区域，且激发与收集区域重叠，收集效率提高。

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）

Wang等对探头顶端的各种设计进行了详细实验比较，并根据实验结果开发了一种斜面光纤结合球透镜的拉曼探头，用于临床内窥镜检查期间的体内上皮组织拉曼测量，丰富了内窥镜检查对上皮组织中早期癌变的体内诊断方法。Mo等也认为前端设计可以增加拉曼检测的样品深度选择性。

4、过滤膜/片

在拉曼检测中，拉曼探头会产生几种杂散信号，包括光纤拉曼信号、瑞利散射和荧光等。前面已经提到，低OH键二氧化硅光纤是拉曼探头的最佳选择，但仍需要在光纤远端添加带通滤光膜/片来抑制杂散信号，带通滤光膜/片的中心波长为激光波长。

瑞利散射与激光波长相同，且收集光纤的拉曼信号由激光反射与瑞利散射激发，需要在收集光纤前端加带阻滤光膜/片，且不能影响有效拉曼光的通过。Dochow等和张宇菁等在收集路径中加入光纤布拉格光栅(FBG)作为带阻滤波器，有效减少了拉曼背景噪声。Komachi等提出了滤光膜/片的选择思路及加工等细节。由于拉曼位移与激光频率无关，且不同物质产生荧光的范围不同，可以选择能避开样本荧光带的激发光，从而避免荧光干扰。

5、探头后端优化

探头的后端优化主要是优化收集光纤尾端与光谱仪的耦合，从而直接影响拉曼信号传输效率。Huang等把收集光纤展开成抛物线弧状再耦合到光谱仪，取代标准的直线排列。入射在光栅上的斜射线把狭缝的曲面图像投射到电荷耦合器件(CCD)上，降低了信噪比(S/N)和系统的光谱分辨率。利用软件和硬件将CCD像素合并可有限克服该影响，且抛物线弧的使用可将S/N提高到纯软件合并的20倍。抛物线顶端光纤(校准光纤)不通光，其在CCD上是一个暗点，可确定光纤竖列在CCD上的成像位置，测量图像曲率，最后拟合确定收集光纤尾端排列的抛物线。

总结

拉曼光谱技术已被证明具有巨大的用于众多临床分析诊断的潜力，而拉曼探头为拉曼光谱技术实际应用的核心工具。

除了优化对探头材料的选择、探头顶端设计、探头过滤模块以及外接耦合设计，拉曼探头未来仍需要设计创新及提升，将拉曼和荧光等多种光谱成像方式集成到单个探头是未来发展趋势，需研发更丰富更优化的拉曼探头来满足各种应用需求。未来拉曼光谱在在体诊断、手术靶向和治疗监测等生物医学领域甚至其他学科拥有非常好的应用前景。

参考文献：徐浩， 朱勇康， 陆燕飞， 尹建华. 拉曼探头的发展及其生物医学应用[J]. 激光与光电子学进展， 2019,56(11): 110005

文章作者：徐浩，朱勇康，陆燕飞，尹建华，南京航空航天大学生物医学工程系
文章链接：拉曼探头的组成结构及设计
文字报道：董荣录
文章编辑：董荣录