相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS)

相干反斯托克斯拉曼散射 (CARS) 是一種非線性四波混合過程，用于增強弱（自發）拉曼信號。在 CARS 過程中，泵浦激光束（在泵浦頻率）和斯托克斯激光束（在斯托克斯）相互作用，產生一個反斯托克斯信號，頻率為CARS = 2泵浦-斯托克斯。斯托克斯光束 ( Stokes ) 通常由來自 Nd:Vanadate 激光器的 1064nm 線提供，該激光器還充當光學參量振蕩器 (OPO) 的泵浦源，而來自 OPO (680-1010nm) 的輸出充當泵梁（泵）。當泵和斯托克斯光束之間的頻率差（拍頻）與（拉曼主動）振動模式的頻率相匹配時，例如~2800 cm -1處的 CH 2對稱拉伸模式，分子振蕩器被相干驅動。這導致增強的反斯托克斯（較短波長）拉曼信號，這是提高 CARS 顯微鏡振動對比度的基礎。

圖 1：相干反斯托克斯散射 (CARS) 能量圖和實驗裝置示意圖。
CARS 顯微鏡

從 CARS 顯微鏡的發展中受益匪淺的兩個領域是細胞生物學和組織成像。通常，細胞詢問是使用熒光顯微鏡進行的。借助 CARS，可以在亞微米級進行化學特異性、無標記成像。迄今為止，CARS 顯微鏡已顯示其在活組織中的脂質代謝、細胞器轉運和藥物擴散（藥代動力學）研究中的潛力。CARS 顯微鏡也已用于臨床應用，并且已經證明了健康腦組織中腫瘤塊的快速、視頻速率成像。

圖 2：來自固定組織樣本的棕櫚酸膽固醇的 CARS 顯微鏡圖像。

左側的圖像是使用 CARS 顯微鏡實驗中常用的發射濾光片獲得的。

右側的圖像是使用 Semrock 產品 FF01-625/90 獲得的，在相同的樣本 ROI 上顯示了增強的圖像對比度。獲取這些圖像時使用了相同的激光強度和 PMT 設置

受激拉曼散射 (SRS)

在 SRS 顯微鏡中，與 CARS 顯微鏡一樣，泵浦光子和斯托克斯光子都入射到樣品上。如果頻率差SRS = pum p - Stokes匹配分子振動 ( vib) 發生振動過渡的受激激發。與 CARS 不同的是，在 SRS 中，沒有與激光激發波長不同的波長的信號。相反，泵浦波長處的散射光強度經歷受激拉曼損耗 (SRL)，而斯托克斯波長處的散射光強度經歷受激拉曼增益 (SRG)。SRS 顯微鏡相對于 CARS 顯微鏡的主要優勢在于它提供了具有改進圖像對比度的無背景化學成像，這兩者對于生物醫學成像應用都很重要，其中水代表樣品中非共振背景信號的主要來源。

圖 1：SRS 四波混頻過程的受激拉曼散射 (SRS) 能量圖（右）。無標記刺激拉曼獲得人類黑素細胞中脂質的成像。

表面增強拉曼散射 (SERS)

拉曼信號本質上很弱，尤其是在使用可見光激發時，因此可用于檢測的散射光子數量很少。放大弱拉曼信號的一種方法是采用表面增強拉曼散射 (SERS)。SERS 使用納米級粗糙金屬表面，通常由金 (Au) 或銀 (Ag) 制成。這些粗糙金屬納米結構的激光激發共振驅動表面電荷，產生高度局部化（等離子體）光場。當分子被吸收或靠近表面的增強場時，可以觀察到拉曼信號的大幅增強。比正常拉曼散射大幾個數量級的拉曼信號很常見，因此可以檢測低濃度 (10 -11) 無需熒光標記。當粗糙的金屬表面與與分子的吸收最大值匹配的激光結合使用時，拉曼信號可以被進一步放大。這種效應被稱為表面增強共振拉曼散射 (SERRS)

圖 1：SERS 的概念圖。

SERS 越來越多地用于各種應用，包括：

基本分析化學測試

藥物發現

法醫現場測試

檢測痕量的化學和生物威脅劑

即時 (POC) 醫療診斷設備

圖 2：SERS 示例：來自純白色念珠菌、純大腸桿菌和兩者混合物的 SERS 光譜。特征峰由陰影框表示。