SORS技术原理在于其系统激光光源的入射焦点与光谱系统中收集透镜的焦点在待测样品表层空间上偏移一定的距离Δ S, 如图1。

图1

Fig.1

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	图1 空间偏移拉曼光谱技术原理Fig.1 Principle of SORS

当一束激光入射到待测样品表层时, 表层样品被激发或散射出宽带荧光, 其中有一部分散射光将到达样品内部, 根据拉曼散射光子迁移理论^[4], 样品内部深层处产生的拉曼散射光子相比于样品表层的光子在散射过程中更易于横向迁移, 经多次散射后返回样品表层被光谱仪器接收系统收集。 到达样品内部不同深度Δ H的散射光返回表层后的位置距离激光光源入射点在样品表层上有不同的偏移距离Δ S, 如图1所示, 当空间偏移距离Δ S=0时, 此时激光光源入射点与拉曼光谱收集点重合, 此处激发的光子密度最大, 系统收集到的拉曼光谱信号大部分是来自样品表层的拉曼散射, 样品深层拉曼信号被淹没; 当空间偏移距离Δ S≠ 0时, 即激光光源入射点与拉曼光谱信号收集点偏移一定的距离, 此时相比于Δ S=0, 光谱仪器收集到的拉曼光谱信号中来自表层的光谱信号衰减很快, 来自样品深层的光谱信号衰减较慢, 使得更深层的拉曼散射光子比重变大。 两者关系如图2所示, 可以看出: 目标拉曼信号与噪声信号(表层)之间的相对强度随空间偏移距离的增大而增大, 在一定程度上有效抑制了表层样品的拉曼和荧光等杂散信号的影响。

图2

Fig.2

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	图2 表层信号与样品内部信号关系图Fig.2 Relation between surface signal and sample inner signal

因此, 检测中通过改变空间偏移距离Δ S的大小, 结合多元数据分析处理方法便可以获得样品内部不同深层次的拉曼光谱, 即空间偏移拉曼光谱。 该技术具有很好的抑制表层物质拉曼光谱和荧光光谱干扰的能力, 特别适用于隐蔽在不透明包装材料下的物质拉曼光谱的提取, 从而快速、 非侵入地对目标物成分进行鉴定。

SORS技术是一种基于光与材料内化学键的相互作用产生的非弹性散射光进行测量的方法, 是拉曼光谱的衍生技术, 所以具备传统拉曼光谱技术的全部优点: 非接触检测、 测定时间短、 样品无需制备、 样品消耗量小、 灵敏度高等^{[12, 13]}, 同时该技术又具有以下先进于传统拉曼光谱技术的独特优点。

1.2.1 有效抑制荧光

传统的拉曼光谱能够探测的生物分子拉曼光谱信号非常微弱, 极易受样品表层材料的荧光信号干扰。 根据拉曼光子迁移理论, SORS技术在对偏离激发点Δ S处收集信息时, 实际的激发光为侧向散射光, 散射激发光首先到达待测样品, 仅小部分的散射激发光到达表层包装, 此时收集到的表层拉曼光和荧光比入射点收集到的拉曼光和荧光弱很多, 而收集到的样品拉曼光却强很多, 因此, 荧光的作用受到了有效抑制^{[8, 9, 10]}。

1.2.2 深层检测

SORS技术是在样品表层偏离激光入射点一定距离处收集拉曼信号, 偏移距离越大, 收集的拉曼信号中更深层样品的贡献越多, 穿透深度也越深。 新型的SORS技术能获得一个适当的漫散射样品逐层的拉曼光谱, 能够对多层不透明样品或不透明包装样品进行深层检测, 探测深度达若干毫米, 从而获得不透明包装样品内部的化学信息^{[11, 12, 13]}。

1.2.3 非侵入无损检测

传统的拉曼光谱是背向散射形式, 可探测样品的浅表信息, 或者穿透透明的表层来探测样品内层, 而需要检测多层不透明样品或不透明包装样品时就必须破坏性地侵入样品内部或损坏包装以获取内部样品, 检测过程变得繁琐同时对样品造成了一定的损失, 而SORS技术在检测过程中能非侵入不破坏不透明包装对样品进行检测且不受分析对象的物理化学特性(粒径、 表面粗糙度、 含水量)的影响, 同时不会对样品造成化学、 机械、 光化学或热分解等破坏, 可实现样品的非侵入无损检测, 从而降低用户的检测和生产成本^{[14, 15, 16, 17]}。

1.2.4 遥测

传统拉曼光谱检测虽然可以对检测对象进行非接触检测^{[18, 19]}, 但都是在检测人员近距离安置仪器的情况下进行的, 仅仅局限于短距离的非接触检测, 在一些危险性较高的不适合检测人员近距离安置仪器的场合, 传统拉曼检测就不适用了。 SORS技术可以在危险性较高的场合对目标物进行远距离检测^{[20, 21, 22]}— — 遥测, 目前研究发现SORS技术最高遥测距离高达15 m, 从而提高检测人员的人身安全。

2005年, Matousek等^[23]提出SORS技术, 被称为“ 标准SORS” , 如图3所示, 其结构特点在于激光光源垂直入射样品, 入射激光为一个斑点, 收集拉曼光是绕斑点为中心的环, 并通过实验验证了标准SORS工作原理的正确性。

图3

Fig.3

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	图3 标准SORS示意图Fig.3 Principle of standard SORS

作者使用514 nm的激光光源并制作样品(将2 mm厚的纯反式二苯乙烯涂在1.0 mm厚的纯PMMA的下表层), 如图4(a)所示, 实验获取了不同空间偏移距离Δ S处的拉曼光谱信号, 如图4(b)所示, 实验结果表明随着空间偏移距离Δ S的增大, 表层纯PMMA与下层纯反式二苯乙烯拉曼强度的比值呈上升趋势, 当Δ S> 2 mm时, 其强度比达到了一个数量级, 通过改变Δ S值, 实现了纯PMMA和纯反式二苯乙烯拉曼光谱的分离, 同时文章指出, 在空间偏移距离为3.5 mm时, 两层的拉曼信号之间的相对比值提高了19倍。

2006年, Matousek等^[17]根据标准SORS原理搭建实验平台, 采用环形光纤探头, 首次对人类进行活体检测, 空间偏移距离为3 mm, 获得了皮下骨骼的拉曼光谱, 实验证明了SORS具有无损检测隐蔽物的能力, 为皮肤病研究、 人体骨骼等各类组织疾病诊断提供了一个安全的技术手段。

图4

Fig.4

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图4 (a)样品示意图; (b)2 mm厚的纯反式二苯乙烯与1.0 mm厚的纯PMMA不同偏移距离的拉曼信号 2016年Realini等[24]将标准SORS理念与显微镜结合起来, 采用雷尼绍In-Via拉曼显微镜、 Peltier制冷CCD和两个激光器(830 nm, 36 mW和514 nm, 7.6 mW)搭建mic-SORS光谱仪, 如图5所示, 并对塑料、 纸和小麦种子进行研究, 结果表明mic-SORS可对聚合物薄层内层进行非侵入性分析, 也可对纸张和生物样本中的薄膜和层析分析, 增加了该技术的探测深度同时扩展了mic-SORS的应用范围, 为在一系列新学科领域的应用分析铺平了道路。Fig.4 (a) Two-layer sample geometry used in the experiments and (b) A set of spatially offset Raman spectra collected from a two layer system consisting of a 1 mm layer of PMMA spheres followed by a 2 mm layer of trans-stilbene powder

图5

Fig.5

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	图5 微尺度SORS光谱仪Fig.5 Material object of mic-SORS

标准SORS解决了样品内部深层信息的收集, 但是由于存在成像缺陷, 这种方式收集的光谱出现波段形状与位置存在微小差异, 从而造成光谱失真, 这些失真限制了标准SORS对样品深层检测的灵敏度。

2006年, Matousek针对上述问题提出逆SORS技术, 如图6所示。 该技术相对标准SORS而言概念相反, 收集拉曼光为一个斑点, 入射激光为绕斑点为中心的环, 即激光入射点与拉曼收集点位置互换, 空间距离可以通过改变圆环的半径进行调节。 圆环实际上是不连续的光斑, 是通过阵列光纤耦合实现, 通过圆锥透镜实现, 圆环的半径(以及空间距离)可以连续改变。 该技术解决了标准SORS光谱失真的问题, 提高了检测灵敏度和穿透深度; 同时由于平台搭建简单, 对现有拉曼显微镜进行附加改造即可完成, 展现出逆SORS技术具有更大的灵活性和适用性^[25]。

图6

Fig.6

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	图6 逆SORS示意图Fig.6 Principle of inverse SORS

相比于标准SORS, Matousek还发现逆SORS具有一个重要的优势: 激光入射的有效光照面是可控的, 从而避免了样品过热、 或者使激光能量控制在对人体皮肤安全剂量范围之内; 其次, 由于逆SORS的光斑是环形的, 空间偏移距离可以通过改变圆环光斑的半径进行调节, 从而可以获得一个最优的空间偏移距离^[26]。

2011年, Olds等^[27]基于逆SORS工作方式搭建实验平台, 成功识别了多层邮包纸内的物质、 塑料包装的抗生素胶囊、 袋装的粉末和不透明塑料瓶液体中含有的某种药物; 同时发现逆SORS技术具有克服光谱仪器自身光谱扭曲的潜力, 而且由于激发光被分散在较大的面积, 从而提高了的激光功率的使用效率和减少系统的收集时间。

随着SORS技术的发展以及实验领域的扩展, 科学家们开始对SORS工作方式进行了深入的研究, 出现了倾斜SORS, 如图7所示, 该结构在2007年由Eliasson等^[28]根据标准SORS理论进行了改进, 通过改变激光入射角度, 实现了对透明介质中样品的拉曼光谱采集。 实验分别检测了用不同类型容器(如透明塑料瓶、 白色或彩色的不透明塑料瓶、 无色或有色玻璃瓶等)的H₂O₂溶液, 结果表明: 与传统的拉曼光谱技术相比, 利用倾斜SORS技术能有效地抑制来自容器的荧光和拉曼信号的干扰, 准确识别出瓶内的H₂O₂。

图7

Fig.7

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	图7 倾斜SORS示意图Fig.7 Principle of tilted SORS

2012年, Hopkins等^[29]利用短波红外在1 064 nm处激发检测彩色玻璃瓶和塑料瓶中的尿素, 倾斜SORS的使用可以很好地与透明容器兼容, 同时有效地抑制了玻璃瓶和塑料瓶的拉曼和荧光信号, 进一步证实了倾斜SORS的功效, 同时说明了这项技术相比传统的后向散射拉曼光谱有更高的灵敏度。

2015年Conti等^[30]采用蒙特卡罗模型对倾斜SORS结构进行模拟, 同时采用Senterra离散拉曼光谱仪(Bruker Optik GmbH)和激光器(785 nm, 100 mW)搭建了倾斜SORS样机, 研究了样品厚度、 工艺类型及其参数对空间偏移拉曼光谱的作用, 研究证明此结构的最大优势在于该工作方式可以在现有的传统拉曼显微镜上进行简单配置即可得到。

图8

Fig.8

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	图8 倾斜SORS样机实物图Fig.8 Experimental configuration of tilted SORS

3.1.1 化工

化工生产(如制药)需要定期对原材料进行质检, 常规检测需要打开包装或容器才能取样, 使原材料暴露到空气中, 接触到水分和潜在的微生物污染, 影响药品的质量和安全。 然而, 传统拉曼系统只能透过透明包装袋检测原材料, 对不透明包装或容器的检测就不适用了。

2012年, 英国Cobalt公司采用SORS技术研发了一套“ RapID” 检测仪器, 如图9所示, 该检测系统能够透过不透明包装或容器获得原材料的特征拉曼光谱, 并在10 s内完成对原材料的直接无损鉴别。 且该产品符合现行药品生产管理规范 (cGMP)和联邦法规21章第11款(21CFR Part 11)标准^[31]。

图9

Fig.9

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	图9 “ RapID” 检测仪器Fig.9 Picture of “ RapID” instrument

3.1.2 安检

随着国际恐怖主义的蔓延, 使用液态危险品实施的恐怖活动也时有发生。 液态危险品对人体、 设施等公共安全有着巨大的威胁。 然而, 传统的安检设备, 例如X射线安检机, 很难将这类物质与常见的一些无危害液体准确区分开, 给液态危险品的安检工作带来了很大的困难。 科技人员基于SORS技术, 研发出一种能够在不打开容器的条件下可靠而快速地检测液态危险品的仪器。

Eliasson等^[18]和Hargreaves等^[32]都通过实验证明SORS技术可有效地探测出不透明玻璃和塑料包装内隐藏的液体炸药的能力, 且具有较高的灵敏度, 显示出具有民事和国防相关的应用潜力。

2013年, 英国Cobalt公司基于SORS技术研发生产了Insight100产品, 如图10所示, 该仪器通过欧洲民用航空安全监管委员会的批准, 部署并应用在欧洲部分机场, 可透过彩色、 不透明或透明塑料、 玻璃和纸张包装。 现场显示该设备具有很强的检测能力, 误报率通常在0.5%或更低, 大大缩减了机场安检时间^[33]。

图10

Fig.10

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	图10 “ Insight100” 检测仪器Fig.10 Picture of “ Insight100” instrument

3.1.3 医疗

SORS作为一种新型拉曼检测技术, 在生物医疗应用方面也具有巨大的潜力。 2007年, Stone等^[34]采用SORS技术对生物体进行实验, 实验中使用2~10 mm厚的鸡肉(在近红外波段与人类有相似的拉曼特征)覆盖在钙质羟基磷灰石(乳腺癌特征之一)上, 结果表明SORS技术可以非侵入获得鸡肉下钙质羟基磷灰石的光谱信息, 其信号强度比常规拉曼光谱方法的提高1~2个数量级, SORS技术可作为乳腺癌早期诊断的辅助手段。

2014年, 英国Cobalt公司联合多方研究人员利用SORS技术研发了LiteThru Engine仪器, 第一次对人类进行临床骨病试验, 如图11所示。 试验表明该技术能够非侵入分析人体内骨骼, 可用于诊断健康和患病骨之间的差异同时可进行历史骨疾病的研究^[35]。

图11

Fig.11

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	图11 “ LiteThru Engine” 对人体进行检测Fig.11 “ LiteThru Engine” was detecting live body

2016年, Ding等^[36]分析了老鼠大腿骨折后2周和4周的愈合情况, 发现骨折后4周胶原矿化和矿物质碳酸化明显比与第2周增加, SORS的测试结果与射线学和材料测试一致, 表明这种技术具有评估体内骨折愈合方面的潜力。

3.1.4 其他领域

在考古艺术领域。 2009年, Hargreaves等^[37]对比便携式拉曼光谱和台式空间偏移拉曼光谱(SORS)技术识别真实和假象牙样品的能力, 发现SORS技术检测速度快、 不需要样品制备, 此外发现SORS技术能够识别被隐藏的塑料, 油漆, 清漆和布料; 2014年, 英国Cobalt公司研究人员利用SORS技术对1545年沉船打捞上的骨头进行非侵入性扫描^[35]; Botteon等^[38]研究发现SORS技术能对隐藏的化学信息成像为2D图形, 还可以成功检索隐藏在聚合物下的一个字母, 使得这项技术在艺术文化遗产真伪鉴定中应用, 进一步验证了该技术可以应用于艺术、 考古学等领域。

在食品安全方面。 2015年, Conti等^[39]应用于无创检测小麦种子, 成功检测到小麦种皮(约25 μ m)、 糊粉层(约50 μ m)和内部的淀粉; 2016年Qin等^{[40, 41]}基于线性探测器提出一种采用标准SORS技术检测包装食品的方法。 该团队采用一个785 nm的激光器作为拉曼激发源、 工作波长范围0~2 815 cm^-1的线性探测器和一个摄像机组成成像光谱仪。 在不透明包装的表面距离发射点36 mm的地方收集到包装内的蔗糖拉曼信息。 这些研究对小麦等食品安全的霉变、 变质

检测提供了一个新的检测手段。

在稽查打假领域。 2012年Olds等^[42]首次结合SORS技术和多元统计技术对不透明容器中的混合物进行定量分析, 该混合物为已知的目标药物三成分(对乙酰氨基酚、 盐酸去氧肾上腺素)和两种稀释液(葡萄糖和咖啡因组成)。 通过SORS非侵入检测及偏最小二乘(PLS)回归构建预测模型, 得到对乙酰氨基酚和盐酸去氧肾上腺素的浓度均方根误差(RMSEP)分别为3.8%和4.6%。 表明SORS技术具有一定的定量分析能力, 同时表明该技术在医药领域具有调查假药的能力。

此外, SORS技术在国防安全领域也有一定的研究基础并取得了一些成就^{[43, 44]}。

国内开展SORS技术相关的研究相对较晚随之相关应用研究也较少, 目前只局限于研究阶段, 距离应用阶段还有很长一段探索过程。 2014年, 核技术应用研究所的张晓华等^[45]利用自行搭建的传统拉曼光谱和空间偏移拉曼光谱装置, 分别对透明容器、 不透明和半透明塑料瓶装NaNO₃的相关样品进行了测量和对比分析, 结果证实了传统拉曼光谱法只适合对非透明介质近表层成分的探测, 局限性较大; 空间偏移拉曼光谱法较传统拉曼法的穿透能力强, 并对表层成分(塑料瓶壁)的荧光及拉曼信号起到很大程度的抑制作用, 能实现对非透明介质(不/半透明塑料)覆盖下内部成分的探测。