基于空心微结构聚合物光纤的拉曼显微技术信噪比优化研究：与传统比色皿测量的对比分析

本研究针对传统比色皿拉曼显微技术信噪比(SNR)低、荧光干扰强的问题，创新性地采用空心微结构聚合物光纤(mPOF)结合选择性/非选择性填充策略，系统比较了三种尺寸光纤在532 nm和785 nm激光下的性能。结果表明，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质的中型选择性填充光纤SNR提升25倍，最高达150，且非选择性填充方案仅需简单切割浸泡即可实现SNR增强。该研究为痕量分析提供了新型光纤增强拉曼技术框架。

　　

在化学分析和生物医学检测领域，共聚焦拉曼显微技术(Confocal Raman microscopy)因其非破坏性、无标记分子识别的优势备受青睐。然而传统比色皿(cuvette)测量方式受限于物镜收集效率，难以检测弱信号，且短波长激光易引发荧光干扰。更棘手的是，水溶液环境中近红外激光又面临吸收损耗的困境。如何突破这些"卡脖子"技术瓶颈？来自西班牙巴斯克大学(UPV/EHU)的Igor Ayesta团队独辟蹊径，将目光投向具有光子晶体结构的新型聚合物光纤。

研究人员创造性地提出"光纤增强拉曼"技术路线，采用三种不同尺寸(27-168 μm)的空心微结构聚合物光纤(mPOF)，通过对比选择性填充(SF)与非选择性填充方案，系统评估了光纤直径、数值孔径(NA)和激光波长的协同效应。这项发表于《Optical Fiber Technology》的研究，首次建立了mPOF拉曼信号的理论模型，为优化光纤传感系统提供了定量设计工具。

关键技术方法包括：1)采用数控钻孔和热拉伸工艺制备三组PMMA基mPOF；2)创新性设计选择性填充装置，通过UV固化胶封闭包层微孔；3)使用532 nm/785 nm双波长激光配合5X-50X物镜多参数测试；4)以铁氰化钾(K₃[Fe(CN)₆])2140 cm^-1特征峰为标记，采用4S Fill Peaks算法进行基线校正；5)建立包含光纤直径、NA和衰减系数的理论模型。

【5.1 比色皿】传统比色皿测量验证了低倍物镜(5X,NA=0.12)的优势，785 nm激光SNR达6.4。理论模型揭示其源于大聚焦体积(1.22λ/NA)与浅衰减的平衡，但整体SNR仍不足10，凸显技术瓶颈。

【5.2 非选择性填充mPOF】中型光纤(42 μm)展现惊人性能：532 nm激光在50X时SNR突破100，较比色皿提升25倍。有趣的是，简单切割浸泡的非选择性方案SNR即达60.3，证明"即插即用"的便捷性。但27 μm小光纤因蒸发效应导致RSD飙升至35.3%，提示尺寸下限。

【5.3 选择性填充mPOF】中型SF光纤创造SNR 150.8的纪录，其71%空气占比的包层结构实现NA=0.64，较小型光纤(NA=0.38)信号收集效率提升3倍。但50X时液体蒸发导致RSD达39.3%，揭示高倍观测的稳定性挑战。

这项研究不仅证实mPOF可突破传统拉曼技术瓶颈，更建立了"几何参数-光学性能"的定量关系：1)中型光纤(42 μm)在信号强度与稳定性间取得最佳平衡；2)选择性填充通过增强NA提升SNR，但非选择性方案更适合快速检测；3)532 nm激光虽散射截面(λ^-4)占优，需权衡水吸收系数。该技术框架可拓展至表面增强拉曼(SERS)、非线性光谱等领域，为开发"光纤实验室"微流控系统奠定基础。正如作者展望，未来通过集成微流控控制，这种空心光纤平台将实现化学反应动力学实时监测乃至活细胞研究，展现跨界创新的巨大潜力。