赛恩OE2041锁相放大器在超宽带受激拉曼散射光谱与成像技术中的应用

2026年2月，北京大学熊汗青团队在《Nature Photonics》发表研究成果，提出了超宽带受激拉曼散射技术。在研究中，赛恩科仪OE2041锁相放大器作为核心信号检测单元，成功实现了对受激拉曼损失信号的高信噪比提取。

该技术通过少周期激光诱导量子干涉，实现了与自发拉曼光谱一致的高保真度、自然线宽极限的光谱分辨率、超宽带覆盖，并具备超过100倍的光谱采集速度提升。作为医学应用，团队在临床血清样本中检测了11种生物标志物。

SuperB-SRS的设计与原理

研究从瞬态SRS设计出发，改用少周期脉冲激发，同时激发多个拉曼模。两个连续激发之间的时间延迟在振动激发态上积累两个概率幅，它们的量子干涉决定SRL信号。通过延迟扫描将自由感应衰变编码到SRL信号中，傅里叶变换后获得自然线宽极限的宽带拉曼光谱。

为解决色散问题，研究将斯托克斯光和泵浦光合束后耦合到保偏单模光纤中，通过自相位调制将光谱展宽到支持少周期脉冲的水平，并通过棱镜和光栅对进行色散补偿（图2a、b）。

该设计支持泵浦带调谐，两个泵浦带可覆盖600到3500 cm⁻¹的光谱范围。在100 pJ级脉冲能量和0.4 NA物镜下，研究成功记录了多个拉曼模的干净FID（图2c）。傅里叶变换后的光谱与基准自发拉曼结果相似（图2d上面板）。对于1-萘甲腈的环变形模，测得的半高宽为5.5±0.5 cm⁻¹，接近自发拉曼的6.3±0.2 cm⁻¹（图3），验证了光谱分辨率接近自然线宽极限。SuperB-SRS对荧光完全免疫，在强荧光背景下仍能获得精细光谱（图2d下面板）。在生物兼容激光强度下，SuperB-SRS使用8 ms采集时间，速度比自发拉曼提升超过100倍（图4）。系统灵敏度测试中，罗丹明800在指纹区的振动模可检测至20 μM，1 mM DMSO的C-H伸缩模可被忠实测量，灵敏度受限于~60 dB动态范围（图5）。通过选择性地滤除泵浦带中的部分低频成分，实现了从2500 cm⁻¹低至100 cm⁻¹的全谱覆盖（图6）。

图1.量子干涉编码原理示意图

图2.SuperB-SRS系统搭建及光谱性能（a）SuperB-SRS系统搭建

（b）焦点处脉冲自相关（c）时间域SRL信号（d）重建的拉曼光谱。

图3.1-萘甲腈的时间域SRL信号及光谱对比（a）时间域SRL信号

（b）SuperB-SRS光谱（下图）与自发拉曼光谱（上图）的对比。

图4.SuperB-SRS与自发拉曼在同一样品上的光谱采集时间与信噪比对比。

图5.SuperB-SRS灵敏度表征。（a-c）罗丹明800在D₆-DMSO中不同浓度的拉曼光谱及线性拟合；（d-f）DMSO在D₂O中不同浓度的拉曼光谱及线性拟合。

图6.光谱滤波策略实现低至100 cm⁻¹的全谱覆盖。

【应用成果】

研究对小鼠肝脏组织进行成像，140×200个光谱在约10分钟内完成，识别出超过19个拉曼特征（图7）。对脑组织的多模态成像中，基于单细胞SuperB-SRS光谱，分类器成功区分星形胶质细胞，准确率92±3%，灵敏度92±7%（图8）。研究积累了约2,300份血清样本的测量数据，建立了超过50种生物标志物的预测模型，其中11种关键生物标志物的预测表现出高性能（图9），仅需50 μL血清和秒级采集时间。

图7.脂滴外部与内部区域的拉曼光谱对比

图8.基于单细胞SuperB-SRS光谱的细胞分类模型性能

图9.50种不同生化指标的预测模型对应的相关系数与样本量

SuperB-SRS结合了频域的共线双波段激发与高频锁相检测，以及时域的脉冲激发与量子相干操控，为高速拉曼光谱分析和成像提供了统一高保真度、高分辨率、大带宽和顶尖灵敏度的通用解决方案。