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拉曼光谱（Raman spectroscopy）在灵敏度和速度方面存在局限，限制了其生化应用。研究人员开发纤维阵列拉曼引擎（FIRE）。结果显示，FIRE 性能优越，可实现线虫代谢活动全拉曼光谱成像，为生化研究带来新契机。
在微观世界里，分子的振动就像一场神秘的舞蹈，而拉曼光谱则是解读这场舞蹈的关键 “解码器”。它能通过分子的振动指纹特征，精准地分析混合物中的共价键、化学成分以及其他分子动态变化。然而，在过去几十年间，拉曼光谱却遭遇了重重困境。其散射截面极小（典型值约为
10?30cm2sr?1 ，比荧光小十个数量级），这使得它信号微弱，就像在嘈杂环境中轻声细语，很难被清晰捕捉；同时，检测速度也很慢，如同蹒跚前行的老者，难以满足快速分析的需求。这些问题严重限制了拉曼光谱在生物化学领域的广泛应用，就像给探索微观世界的科学家们戴上了沉重的镣铐。
为了打破这些限制，华中科技大学武汉国家光电实验室布里顿?钱斯生物医学光子学中心等机构的研究人员，展开了一项极具挑战性的研究。他们提出了无 CCD 的理想拉曼显微光谱概念，并成功开发出纤维阵列拉曼引擎（FIRE）。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为拉曼光谱技术带来了新的曙光。
研究人员在开展这项研究时，运用了多个关键技术方法。首先，定制了 1 MHz 重复频率、脉宽 0.5 ns 的纳秒脉冲激光用于激发样品。在检测部分，采用了大芯径（100 μm）、数值孔径 0.22 的多模光纤收集散射的拉曼光子，通过二向色镜将其分离为不同波段，再利用特殊设计的光纤阵列（FA）和光纤阵列束（FAB）对不同颜色的拉曼光子进行时间延迟，实现光谱在时域的展开。同时，使用了单通道光子计数硅光电倍增管（SiPM）和 GHz 高速采集卡（HAC），能够在 1 MHz 的速率下对光子进行计数和记录 。
下面来看看具体的研究结果：
- FIRE 的概念和示意图：研究人员使用 1 MHz 的纳秒脉冲激光（如 532 nm）在 0.5 ns 内激发样品产生自发拉曼光谱，利用激光脉冲之间约 999.5 ns 的时间间隔进行超快速单次光谱测量。通过 160 根不同长度的多模光纤组成的 FAB 系统，将不同颜色的拉曼光子在时域上分离，最长可实现 960 ns 的光谱跨度，几乎占据整个 1 μs 的时间间隔。在光纤末端，由 SiPM 检测所有入射光子，并由 HAC 实时记录，从而实现对拉曼光谱的完整记录。
- 1 MHz 全拉曼光谱测量：通过两根多模光纤分别收集覆盖指纹区和静默区（Band I： - 300 至2000cm?1 ）以及静默区、C - H 和 O - H 区（Band II：2000 至4300cm?1 ）的拉曼光谱，实现了在 1 MHz 光谱速率下对?300?4300cm?1 全拉曼光谱的覆盖，且无需光谱调谐。测量混合样品（H2O : D2O : DMSO 体积比为 2:1:1）和纯 DMSO 的全拉曼光谱时，展现出高灵敏度和低荧光计数。
- FIRE 系统的性能表征：FIRE 系统具有高达 MHz 的超快速拉曼光谱指纹识别能力和单光子灵敏度。在 1 ms 内，可记录 1000 个 DMSO 的拉曼光谱，而暗计数仅约 0.6 个。通过实验验证了拉曼信号与激发激光功率的线性关系，且该系统达到散粒噪声限制的灵敏度。与最先进的商业设备（如 Raman HR800）相比，FIRE 在检测 0.1% DMSO 时，信噪比（SNR）更高，背景荧光更低，灵敏度优势明显。
- FIRE 的高速化学成像：与传统自发拉曼显微镜相比，FIRE 在生物样品的化学特异性成像方面具有更高的灵敏度和速度。其成像背景噪声显著降低，对小鼠耳表皮组织、成年 daf - 2 秀丽隐杆线虫（C. elegans）等进行成像时，能在短时间内获得高分辨率的图像，并通过多元曲线分辨率（MCR）算法清晰地解析出不同成分的浓度分布和拉曼光谱。
- 完整秀丽隐杆线虫葡萄糖代谢的显微成像：利用 FIRE 对 D7 - 葡萄糖（一种代谢探针和葡萄糖同位素类似物）的拉曼光谱和检测限进行验证，证实其可检测 10 mM 的 D7 - 葡萄糖。通过喂食野生型和 daf - 2 突变型秀丽隐杆线虫 D7 - 葡萄糖，观察到不同发育阶段线虫体内葡萄糖代谢的差异，如在早期阶段，D7 - 葡萄糖主要集中在肠道附近组织，而在 L2 dauer 阶段，会代谢并转化为皮肤成分。
研究结论和讨论部分指出，在低光子通量（5 - 6.25 光子）或高光谱采集速率下，光子计数的 FIRE 相比基于 CCD 的拉曼技术具有明显优势，因为 CCD 存在读取噪声和低灵敏度问题。尽管单频受激拉曼散射（SRS）在灵敏度和成像速度上高于 FIRE，但在需要光谱成像时，FIRE 可与之竞争。FIRE 能在单分子水平上在时域区分拉曼过程，虽然目前不能完全实现单分子检测，但为相关研究提供了新的思路。此外，与其他基于 CCD 的先进拉曼显微镜相比，FIRE 克服了成像速度和光谱跨度之间的权衡问题。
综上所述，FIRE 技术的出现，极大地克服了拉曼光谱在灵敏度、光谱速度、光谱跨度和动态范围等方面长期存在的局限性。它将拉曼成像的灵敏度提升至单光子水平，光谱速率推至 MHz 级别，实现了单次光谱测量，并覆盖了全拉曼光谱范围。通过对秀丽隐杆线虫代谢活动的大规模全光谱成像，展示了其在生物研究中的巨大潜力。这一技术有望在拉曼超快转录组成像、百色拉曼成像以及临床肿瘤边缘评估等前沿研究领域发挥重要作用，为生命科学和健康医学领域的研究开辟新的道路，助力科学家们更深入地探索微观世界的奥秘 。
