（华东师范大学光谱学与波谱学教育部重点实验室）

飞秒相干反斯托克斯Raman光谱技术

高分辨率飞秒相干反斯托克斯Raman光谱(CARS)的研究涉及非线性光学、激光光谱学、超快激光技术、量子光学、原子分子物理学及计算机优化控制理论与技术等学科领域。基于超快脉冲激光的整形、放大和压缩技术，利用飞秒整形激光脉冲与特定量子体系相互作用，产生非线性光学相干反斯托克斯Raman光谱（CARS），实现特定Raman模的选择相干抑制或增强，提高了Raman光谱的灵敏度、选择性、频谱分辨率和空间分辨率等，可望为材料科学和生物医药等领域的研究提供全新的技术和方法。

Raman光谱技术是研究材料、生物医药等的重要手段（特别是共焦显微Raman光谱成像技术）。激光与物质相互作用可产生激光Raman散射，Raman散射信号通常比较微弱；激光共振激发可增强Raman散射的强度，但荧光信号严重干扰Raman光谱的测量；常规激发方式将同时激发多个Raman模，多个相近的Raman模相互干扰，导致光谱指认和判读的困难；而且，激光Raman通常使用较短波长的激发光源，容易对物质产生光损伤（特别是生物分子更易受到损伤）。因此，激光Raman光谱的应用受到一定程度的制约。

近年来，随着新一代超快激光、脉冲整形技术及激光相干控制理论的发展，人们开辟了全新的飞秒量子相干控制CARS光谱技术和方法。量子相干控制的设想最早是在化学反应动力学领域提出的，目的是控制化学反应过程，通过特定的激光脉冲与物质非线性相互作用，控制并实现从初始状态（初始波函数、初始粒子数分布等）转化为人们所需要的最终状态，获得需要的产物。1991年，A. M. Weiner等首先证明受激Raman模选择激发的可行性；1999年，T. C. Weinacht等利用计算机优化控制实现了甲醇溶液C-H对称和反对称伸缩振动Raman模的选择激发、抑制和增强效应；2002年，N. Dudovich等对飞秒脉冲相干控制非线性Raman光谱及在显微Raman技术中应用进行有益探索研究。

飞秒相干反斯托克斯Raman光谱（CARS）能够提高信号强度，多光子非线性激发减低了短波长对材料和生物分子的光损伤，且大大提高了空间分辨率。但是，由于飞秒激光具有较宽的频谱，产生的相干反斯托克斯Raman光谱（CARS）的频谱较宽，并产生非共振背景干扰信号，无法满足复杂分子体系(特别是生物和材料体系)Raman光谱频谱高分辨率的要求。人们尝试采用宽频谱飞秒脉冲和窄频谱长脉冲组合来提高相干反斯托克斯Raman光谱（CARS）的频谱分辨率，但所涉及的光路复杂，且无法实现的信号有效增强、非共振背景干扰信号的抑制以及激发的选择控制。

研究表明，利用超快相干控制技术可望提高反斯托克斯Raman光谱的选择性，增强信号强度，降低非共振背景噪声。目前，高分辨飞秒相干反斯托克斯Raman光谱（CARS）的量子相干控制研究国际上刚刚起步，特别是有关材料和生物等复杂分子的高分辨飞秒相干反斯托克斯Raman光谱（CARS）选择激发的研究尚待开展。随着脉冲整形和压缩控制技术和计算机优化控制技术的发展和提高，基于量子相干控制高分辨飞秒相干反斯托克斯Raman光谱（CARS）技术，可望研制成功新型的光子多维操控高分辨Raman光谱显微成像系统，为材料科学、生物医药等领域提供新型研究技术和手段，促进光物理、光化学以及光生物学等许多交叉学科的共同发展。因此，高分辨飞秒相干反斯托克斯Raman光谱（CARS）的研究作为当前国际学术研究交叉前沿之一，具有重要的科学意义和潜在的应用价值。

细胞识别的Raman光谱显微探针技术

细胞是由多种生物分子组成，如蛋白质、核搪核酸等生命基础物质，不同的细胞含有不同成份和结构的生物分子，生物分子的异同和变化预示着细胞的异同和病变。激光拉曼光谱是进行生物分子和细胞研究的强有力工具之一，它使人们能观察自然状态下的生物大分子和细胞的特点，能够从分子水平上较深入地研究它们的构象和构型的变化以及它们相互作用的过程，有助于探讨细胞特征及其生物分子之间的相互作用，进一步为组织细胞异变(如癌变)的识别、疾病诊断以及药物与细胞作用提供可靠的依据。

1975年Webb测定了细菌、正常细胞和肿瘤细胞的拉曼光谱，发现不同种类的细菌或细胞的拉曼光谱不同，发现细胞在静止期和代谢活期的光散射程度明显不同，散射峰的出现与细胞的代谢生理时律紧密相关，使人们能通过特征拉曼谱线和细胞的代谢生理时律，快速地鉴别活细胞的种类及其病理特征。2001年英国《新科学家》报道了荷兰和美国科学家正在利用拉曼光谱技术研制一种能够识别细胞的拉曼光谱探针技术。荷兰鹿特丹Erasmus医学研究中心的G. Puppele领导的科研小组研制了一种大约为1 mm的光纤探头，可以测出一种组织的拉曼光谱，与光谱数据库中其他各种组织（包括癌细胞组织）的拉曼光谱进行对照，能够判别组织是否癌变。

目前Puppele用该技术检测19例样品，检查的结果和活组织的检查结果一致；美国田纳西州纳什维尔范德比尔特大学的A. M. Jansen的研究小组也获得了良好的效果，并计划进一步研制一种安装有拉曼光谱探针的手术刀，一边手术一边检测区分是否残留癌变细胞，提高手术的成功率。细胞识别的拉曼光谱探针技术不仅在提高癌变手术成功率方面有极大作用，如将该技术配在胃镜、场镜等仪器上，对癌变细胞的早期发现具有重要意义（目前的技术对小于0.5 mm的癌变细胞是难以发现的），可在胃镜、肠镜检查的同时切除微小的癌变组织而不需开腔手术。

因此，细胞识别的拉曼光谱显微探针技术以及利用相干控制提高拉曼光谱选择性和灵敏性的研究作为当前国际学术研究交叉前沿之一，具有重要的科学意义和重要应用价值，极具挑战性并可望有所突破。