远程 “透视眼”——拉曼光谱精准锁定细菌芽孢

远程 “透视眼”——拉曼光谱精准锁定细菌芽孢

在生物安全领域，细菌芽孢的检测至关重要。它不仅关系到公共卫生安全，还对军事防御和国土安全意义重大。想象一下，有一种技术能在不接触样本的情况下，远距离快速检测出细菌芽孢，这是不是像拥有了一双神奇的 “透视眼”？现在，基于现场可部署相干拉曼光谱技术的新突破，这一设想成为了现实。

传统检测技术的 “困境”

在检测化学和生物战剂时，传统光学技术面临诸多挑战。激光诱导荧光技术（UV-LIF）虽然能产生高信号强度，但特异性差，难以区分不同生物战剂；激光诱导击穿光谱技术（LIBS）受样本元素含量变化影响大，特异性受限；光声光谱技术灵敏度又较低。而细菌芽孢作为生物战剂的一种，其结构特殊、稳定性强，传统检测方法很难在远距离、快速且准确地检测到它们。因此，研发新型检测技术迫在眉睫。

相干拉曼光谱 “崭露头角”

振动光谱技术为解决这些难题带来了希望，其中相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）光谱技术备受关注。CARS光谱技术利用同步的泵浦/斯托克斯激光脉冲，使目标分子在激光焦点处产生振动相干，再通过与探测脉冲相互作用，发射出可远距离检测的相干光束。此前，CARS光谱技术虽展示了检测细菌芽孢的潜力，但依赖复杂庞大的激光系统，仅适用于实验室环境，无法满足实际应用需求。

新型系统：便携又强大

科研人员基于紧凑的工业级镱激光系统，开发出了一种宽带CARS装置。这个装置就像一个 “超级探测器”，它由镱激光产生的脉冲分为泵浦、斯托克斯和探测三个分支。泵浦脉冲由光学参量放大器产生，能提供合适的频率差，激发分子的振动模式；斯托克斯脉冲由激光基频光束产生；探测脉冲则经过光谱窄化处理，用于读取振动相干信息。该装置体积小、重量轻、功耗低，便于携带和现场部署。

科研人员首先用压缩二吡啶甲酸钠（NaDPA）粉末优化系统，因为它和细菌芽孢中的标志性分子二吡啶甲酸钙（CaDPA）拉曼光谱相似且易于合成。实验发现，在探测脉冲延迟1.5皮秒时，非共振背景（NRB）显著减弱，能清晰分辨出NaDPA的特征拉曼峰。随后，科研人员用该系统检测萎缩芽孢杆菌的芽孢。在1米的远距离处，他们成功检测到了浓度为105cfu/mm²的芽孢，且采集时间仅需1秒，信噪比达到20。在探测脉冲延迟0.5皮秒时，芽孢拉曼共振强度较高，1017、1395和1445 cm⁻¹处的信噪比大于80，但共振信号受NRB干扰，峰形分辨率欠佳；延迟1.5皮秒时，NRB干扰减少，分辨率提高，如1004和1018cm⁻¹处的双峰能清晰分辨，这为识别芽孢的拉曼指纹提供了更多细节 。

图一 萎缩芽孢杆菌孢子的远距CARS光谱图。泵浦、斯托克斯和探测脉冲能量分别为12、12和9μJ。孢子样品放置在距离激光系统1米处，积分时间是1秒。（B，D）萎缩芽孢杆菌孢子和ALS拟合的CARS光谱图的横截面（实线）0.5和1.5 ps探头延迟的轮廓（虚线）。（C，E）相应的残差和参考拉曼光谱CaDPA的光谱（品红色线）。残留物代表萎缩芽孢杆菌孢子的宽带CARS指纹^[1]。

未来展望：应用前景广阔

这项技术不仅在细菌芽孢检测上表现出色，未来还有更广阔的应用前景。通过增加激光输出能量、扩大光束直径，检测距离有望延长至数十米。结合机器学习算法处理光谱数据，能进一步提高检测灵敏度，在复杂环境中更精准地识别化学指纹。此外，该系统还可扩展到化学战剂检测和环境监测领域，为保障公共安全和环境质量发挥更大作用。

参考文献：[1]Nicola Coluccelli,G. Galzerano,P. Laporta, et al. Standoff detection of bacterial spores by field deployable coherent Raman spectroscopy. Scientific Reports. 2023;13 (1):0-0. doi:10.1038/s41598-023-29589-7.