北京大学团队研发超宽带受激拉曼散射技术，突破生物医学成像瓶颈
近日，北京大学未来技术学院国家生物医学成像中心的熊汗青教授团队，在《Nature Photonics》杂志上发表了题为“Super-broadband stimulated Raman scattering spectroscopy and imaging”的研究成果。该团队开发的超宽带受激拉曼散射技术（SuperB-SRS），通过少周期激光诱导的量子干涉机制，将拉曼自由感应衰减信号编码至受激拉曼损耗信号中，成功实现了与高精度自发拉曼光谱相当的超宽带光谱成像。
该技术不仅将成像速度提升了百倍，还天然兼容多色荧光同步检测，为高分辨率生物组织成像提供了全新手段。在临床应用方面，该系统已从血清样本中检测出11种与肝肾功能及心血管疾病密切相关的生物标志物，为健康科学的高质量数据积累提供了可靠支持。
拉曼光谱的技术挑战与CRS的发展
拉曼光谱因其能无标记地识别分子键合特性，长期以来被广泛应用于生物医学研究。然而，由于自发拉曼散射信号强度极低，其成像过程通常受限于速度慢、易受荧光干扰等问题。
为克服这一挑战，相干拉曼散射（CRS）技术应运而生，包括相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）和受激拉曼散射（SRS）等方法。CARS虽然能实现接近视频速率的成像，但其光谱强度与分子浓度之间呈现非线性关系，且容易受到非共振背景干扰，导致光谱失真。
相比之下，SRS继承了自发拉曼光谱的线性特征，但由于缺乏适用于生物环境的全频段激发策略，其光谱保真度仍难以与自发拉曼媲美。因此，如何在保留CRS信号增强优势的同时，实现高保真、超宽带的拉曼检测，成为该领域亟待解决的关键问题。
技术原理与系统设计
熊汗青团队创新性地提出双波段少周期脉冲的量子干涉方案，将拉曼自由感应衰减（FID）信号编码至受激拉曼损耗（SRL）信号中。通过两次延时脉冲激发，系统能够建立振动激发态的概率振幅，其量子干涉效应直接影响SRL信号的强度。延时扫描操作可将所有拉曼模式的FID信息集成到SRL信号中，最终通过傅里叶变换还原出完整的拉曼光谱，突破了传统CRS中脉宽与光谱分辨率的矛盾。
为解决少周期脉冲在传输过程中的色散问题，团队设计了一套全新的系统架构。该系统采用Yb³⁺固体振荡器生成斯托克斯脉冲，与光参量振荡器（OPO）产生的泵浦脉冲进行窄带合束，随后通过保偏单模光纤的自相位调制实现光谱高效展宽。借助棱镜-光栅对，系统还能够实现三阶色散补偿。最终在物镜焦点处，系统可输出具有超宽带特性的泵浦与斯托克斯脉冲。
该系统在600~3500 cm⁻¹范围内实现了超宽带覆盖，并集成了落射荧光检测模块，可同步校准脉冲宽度，支持多色荧光成像。
性能验证与实际应用
研究团队从光谱分辨率、采集速度、抗荧光能力及检测灵敏度四个方面对SuperB-SRS的性能进行了系统评估，结果显示，各项指标均达到或超越现有技术水平。
此外，SuperB-SRS已在三个典型应用领域中成功验证：生物组织的高分辨率成像、脑区多模态分析以及临床血清中的生物标志物检测，充分展示了其在生物医学研究中的实用价值。
技术意义与未来展望
SuperB-SRS技术的实现标志着相干拉曼散射技术的重要突破。该系统融合了频率域SRS的共线激发与高灵敏度锁相检测的优势，并引入时域脉冲激发与量子相干调控机制，首次实现了高光谱保真度、自然线宽分辨率、超宽带覆盖与高速成像的统一。
这一进展不仅克服了传统CRS技术的局限，也为生物医学成像、精准诊疗及健康数据驱动研究提供了坚实的技术基础。