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基于Cougar-640探测器的生物样品多波段拉曼光谱检测

在对生物样品多波段拉曼光谱检测中使用可见光激光无法获得理想的染色生物样品的拉曼光谱,其原因是可见光激光感应导致的荧光效应的高强度干扰。荧光效应对采集到的拉曼信号的干扰可以通过使用1000nm左右的激发波长被降低。这将使得拉曼光谱处于1100nm之上,而这恰好是普通基于硅的CCD探测器的探测上限,所以只能使用InGaAs探测器。然而InGaAs探测器目前还不能够达到能够满足拉曼光谱应用的噪声水平。

我们已经首次实现使用一种新型InGaAs探测器技术,使得其在短波近红外波段能实现极低的读出噪声的多波段拉曼光谱探测。两个电子的读出噪声可以媲美高质量CCD,比其它商用InGaAs探测器要低两个数量级的噪声。使用拉曼光谱设备使得在长时间曝光(<20s)下减弱背景荧光的干扰获得高质量的拉曼光谱成为可能。

技术比较与优势介绍

拉曼光谱被广泛用于检测生物组织与病理过程有关的分子变化,如区分病变组织和正常组织。然而,拉曼光谱应用在高色素生物样品分析遇到了问题。当使用激光激发波长约850nm的时候会产生激光激发的荧光,这直接导致很难或者不可能获得高质量的拉曼光谱。

目前已经有了一些策略来减少荧光的干扰,比如表面增强拉曼光谱、共振拉曼散射、time gated detection、共焦信号检测等。然而这些方法已经不能胜任解决对染色物体的拉曼光谱探测。因为这些方式或者不足够有效,会导致非常复杂的测量系统,或者不适用于生物样品内部探测。

尽管共焦拉曼仪器可以显著降低荧光背景的影响, 但对高荧光样品还是远远不够的。数字背景滤除技术也不是一个合适的解决荧光问题的办法,因为或许可以减去背景噪声但是却不能减去由荧光产生的散射噪声。一些研究使用785nm的激发光在所谓的指纹区去获得若干种类型的染色过的受损皮肤的光谱。基线移除算法必须用来移除很强的荧光背景,这将直接导致在拉曼光谱信号相对于荧光背景噪声很弱的时候出现光谱假象现象。此外,背景滤除不能删除由背景导致的散射噪声。虽然如此,使用大体积测量(200 um直径的光纤可照亮一个直径3.5mm的区域)可从切除的色素组织获得可用的拉曼信号。

最好的方式去减少荧光的影响就是使用非可见光波段的激发光,高于700nm的近红外光或者低于300nm的紫外光,对生物样品来说,紫外光会导致细胞变异以及DNA的损坏,所以近红外光成为激发光首选。

傅立叶变换拉曼光谱已经成功的被应用于皮肤色素病变光谱的获取,这证明了可以使用一个较长波长(1064nm)的激发光来解决荧光干扰问题。然而傅立叶变换拉曼光谱是一种采用多路单通道技术,并且信号积分时间会比多通道拉曼光谱技术长几个数量级。这不适用于生物内部医学应用。

理想的解决方案是使用更长波长的激发光来减少荧光的影响,获得低噪声多通道拉曼光谱和短时间信号收集。

有些研究者使用1064nm的激发光结合InGaAs探测器可以有效的解决荧光干扰问题,但是代价是很低的信噪比,因为传统的InGaAs探测器具有很高的噪声。

直到现在对拉曼光谱信号在近红外(>1100nm)的探测受限于探测器的发展。在可见光,最好的方式是使用制冷CCD探测器,可以获得低噪声低暗电流和高量子效率。然而1100nm以上波长超出了普通可见光探测器探测的上限。

随着人们对于近红外波段拉曼光谱探测需求的增长,一种新型的深度制冷InGaAs探测器Cougar系列已经被Xenics公司开发了出来,能使芯片温度保持在80K。Congar-640具有在1570nm的高量子效率(>90%),以及极低的暗电流(小于10e-/s)和极低的噪声(15e-)。

图1 拉曼光谱探测图

(L: lens; M: mirror; LPF: long pass filter; VPH: volume phase holographic grating.)

激发光波长为976nm,分光仪spectrometer加有1064 nm截止滤光片,采集到的光谱范围大概在1340~1540nm。

图2 拉曼光谱图(曝光时间:10s)

(A&B:恶性黑色素瘤;C&D:良性黑素细胞痣)

拉曼光谱探测最重要的部件是低噪声InGaAs检测器。它使得对散射噪声信号的收集变得很有限。拥有很宽广的应用,例如医学诊断、食品质量控制、或其他领域的高质量的拉曼光谱探测需求。

产品推荐


XenICs 深度液氮制冷Cougar系列特点:

1、InGaAs材料,像素有效性>98%;

2、液氮制冷温度达低至77K;

3、极低的暗电流<10e-/s/pixel,极低的噪声15e-,可超长时间积分;

4、冷却罩能够最小化地降低外部环境中的短波近红外的干扰;

5、限制F光圈的大小(f/1.4),减少了背景噪声,总体更低的暗电流和噪声;

6、ITR和RWI两种读出方式;

7、3通道输出、125kHz像素时钟;

8、ROI功能;

9、24 ADC;

XenICs公司与凌云公司

XenICs公司是全球领先的红外相机和探测器的提供商。创建于2000年,从国际知名的IMEC(比利时的微电子研究中心,半导体业界的指标性研究机构)孵化而来,是ISO:9001认证公司,总部位于比利时鲁汶,并在全球各大洲皆有分公司。XenICs公司技术实力雄厚,专注于InGaAs 材料芯片的设计,能根据客户需求进行产品定制。

凌云公司作为其在中国地区唯一销售渠道,将负责XenICs产品在中国的市场推广、销售、技术支持等工作,为中国客户持之以恒的提供专业领先的红外相机、探测器产品和专业、完善的解决方案等服务。