受激拉曼散射 (SRS)，也称为受激拉曼光谱，是一种广泛使用的无标记化学成像技术，它利用 相干拉曼散射 过程。虽然自发拉曼效应是一种弱散射过程，对于单个视场可能需要数小时的信号积分时间，但 SRS 等相干散射方法提供了一种非破坏性、无标记的技术。1 锁相放大器，即专门的 SRS 锁相放大器，通过执行相位敏感检测从噪声背景中提取微弱的 SRS 信号，在 SRS 显微镜中发挥着关键作用。
受激拉曼散射 (SRS) 如何工作？
基本原则
SRS 技术使用两个同步脉冲激光器（泵浦光束和斯托克斯光束）来相干地激发样品内分子的振动模式。当两个激光器之间的频率差与目标样品的振动频率相匹配时，泵浦光束会损失光子，这种现象称为受激拉曼损失（SRL），而斯托克斯光束则获得光子。泵浦光束的强度损失非常小，需要锁定放大器才能被检测到。使用高频调制和相敏检测方案以及专门的 SRS 锁定放大器可以帮助从噪声背景中提取这些信号。2
研究人员可以通过使用多仪器 SRS 锁定放大器技术进一步增强他们的设置，其中额外的激光器和锁定放大器能够同时对不同光谱区域进行成像（图 1），这对于活细胞成像和其他时间成像特别有用。敏感的实验。
图 1：小鼠大脑样本在两个不同 Rama 跃迁（2850 cm）下的同步双通道 SRS 图像-1 脂质，左； 2930 厘米-1 蛋白质，右）2
SRS 锁相放大器的基本原理
锁相放大器特别适合 SRS，因为它们允许科学家以特定的调制频率（即泵浦或斯托克斯光束的频率）放大信号。这种方法提高了测量信号幅度和信号相位时的测量灵敏度，因为锁相放大器可以检测与参考信号同相的所需信号，同时抑制异相分量。 SRS 的锁定放大器还应包含数字滤波器，以滤除噪声并衰减不需要的信号，以提高测量的信噪比。
SRS锁相放大器可以实现哪些功能？
- 调制传递检测：在 SRS 显微镜中，其中一束激光束（斯托克斯或泵浦）以高频进行调制。 SRS 锁定放大器检测由于 SRS 过程而向另一束光的调制转移，这对于观察微弱信号变化至关重要。
- 双通道检测： 多仪器并行模式 配置允许用户部署多个锁定放大器，从而无需额外硬件即可同时检测来自单独检测器的信号。这对于涉及多个拉曼位移的实验或使用不同振动模式的成像特别有用。
- 相敏检测：具有双相解调功能的专用 SRS 锁定放大器可以检测信号中的相移，这对于区分 SRS 信号与其他噪声分量至关重要。
- 信号增强：锁定放大器能够滤除不需要的频率并放大感兴趣的信号，即使它可能比背景噪声弱几个数量级。
- 实验灵活性：由于能够在内部或外部配置本地振荡器源，研究人员可以使锁定放大器适应各种实验设置和要求。例如， 主要优点 基于可重新配置的 FPGA 构建，允许用户无缝部署多达 15 个其他软件定义仪器。
使用 SRS 锁定放大器进行实验
如何将锁相放大器集成到 SRS 设置中
- 设置您的激光系统。对于 SRS，您将需要两个在空间和时间上重叠在样品上的激光脉冲（泵浦光束和斯托克斯光束）。这些光束应具有与感兴趣的拉曼位移相匹配的能量差。
- 调制光束。您可以调制泵浦或斯托克斯光束。例如，如果您调制泵浦光束，SRS 过程将引起斯托克斯光束的变化，您可以在阻挡泵浦光束后检测到这一变化。这称为受激拉曼增益 (SRG) 检测。
- 配置 主要优点 in 多仪器并行模式，它允许您部署多个锁定放大器以同时进行检测。这对于 SRS 显微镜实验特别有用，因为您可能希望检测不同的拉曼位移或使用多个检测器。
- 优化检测。使用 Moku 锁相放大器接口调整相移并优化检测到的信号。您可以最大化与感兴趣的拉曼位移相对应的信号并最小化正交输出以提高信噪比。
- 使用适当的阻抗设置将输入配置为交流耦合（图 2）。
图 2：Moku 锁相放大器的输入配置。
应用实例
华盛顿大学的 SRS 显微镜
研究人员在 University of Washington 使用 Moku:Pro 锁定放大器用于识别生物样本并对其进行成像。该技术对于提供光谱和空间信息的化学成像至关重要。了解更多 开始.
波士顿大学 SRS 显微镜
波士顿大学的研究人员使用 Moku:Lab 用于受激拉曼散射 (SRS) 显微镜实验的锁定放大器 (LIA)。由于泵浦光束的强度损失极低，因此需要高频调制和相敏检测方案来从噪声背景中提取SRS信号。 Moku:Lab 锁相放大器用于检测从斯托克斯到泵浦光束的调制传输，这对于 SRS 显微镜实验的成功至关重要。了解更多 开始.
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[1] 张 S.、宋 Z.、Godaliyadda, G. D. P.、叶 D. H.、乔杜里, A. U.、森古普塔, A., … & 辛普森, G. J. (2018)。共焦拉曼显微镜的动态稀疏采样。分析化学，90(7), 4461-4469。
[2] B. Wong 和 D. Fu，“华盛顿大学使用 Moku:Pro 进行 SRS 显微镜实验”，Liquid Instruments，https://liquidinstruments.com/blog/2022/08/29/dan-fu-university-of-washington-customer-white-paper/（11 年 2024 月 XNUMX 日访问）。