近期，中國科學院長春光機所在Light: Science & Applications發表了題為“Time-resolved photon counting Fourier-transform micro-spectroscopy enables simultaneous Raman and fluorescence lifetime imaging”的研究論文。本文第一作者為尚林東博士，通訊作者為李備研究員、Wolfgang Langbein教授。團隊創新性地開發了時間分辨光子計數傅里葉變換顯微拉曼光譜平臺。該技術巧妙融合了光子計數的高靈敏度和傅里葉變換光譜的寬譜高分辨優勢，成功拓寬了可探測的光譜范圍并提升了光譜分辨能力。實驗結果有力證實，該儀器不僅能高效分離拉曼與熒光信號，更能同步實現高空間分辨率的拉曼與熒光壽命成像。
拉曼光譜是材料科學、半導體工業、環境測試、考古學和生物醫學的重要工具。一個重要的限制是熒光背景，它可能會淹沒拉曼光譜信號。大多數拉曼光譜使用連續激光器激發信號，因此無法根據拉曼和熒光成分的時間動力學來分離拉曼和熒光成分（拉曼信號是瞬時的，熒光的典型壽命在納秒范圍內）。通常的做法是從測量的拉曼光譜中擬合光譜中的熒光寬背景，以消除熒光。然而這種做法會將部分拉曼信號一并扣除，會影響拉曼光譜的分析識別。為了真正實現熒光抑制這一問題，需要使用時間門控拉曼技術。目前，光柵式時間門控技術已有成功案例，但由于單光子雪崩二極管（SPAD）技術瓶頸，難以同時滿足高光譜分辨率、寬光譜范圍和高時間分辨率的需求。
本文提出了一種基于高分辨率傅里葉變換光譜儀和SPAD的時間門控拉曼系統。研究團隊設計了一個光子矩陣來存儲SPAD檢測到的光子事件，并開發了一種策略來校正所獲得的光子矩陣干涉曲線，以獲得高信噪比的時間分辨拉曼光譜。
圖1?傅里葉時間門控拉曼光譜儀光路圖
研究團隊采用馬赫曾德爾干涉儀結合高精度直線電機位移臺，并與單光子雪崩二極管、單光子計數器時間標記采集配合使用（圖1），允許將光子事件按照發生絕對時間和相對時間順序放置在光子矩陣中（圖2a，b）。該矩陣橫軸疊加為干涉強度曲線，縱軸疊加為熒光壽命曲線（圖2c）。
圖2?記錄光子數據得到光子矩陣。
在傅里葉式干涉系統中，位移臺的校準一直是一個核心問題，由于本工作使用波長532nm的脈沖激光，相比傳統傅立葉式使用1064nm激光對位移臺校正精度要求更高，再加上本工作使用四倍光程差設計，使位移臺的移動錯誤放大了四倍，所以校正難度進一步增大。為了解決這些問題，本工作使用位置同步輸出（PSO）結合單模激光干涉相位擬合的方式對位移臺進行位置校正。從結果圖中可以看出經過位置校正后激光譜線信噪比有了極大提升（圖3）。
圖3?高精度位移臺校正過程圖。
為了確定系統整體時間分辨率和光譜分辨率，研究團隊首先使用脈沖激光測試其時間分辨率。從脈沖激光譜線2D、3D熱圖（圖4a，c）中可以看出該儀器實現了547 ps的時間分辨率（圖4b）。其次使用連續激光測試系統最大光譜分辨率，從圖中可以看到系統最大可實現的光譜分辨率為0.05 cm-1（圖4d，e）。
圖4?系統時間分辨率和最大光譜分辨率結果圖。
為了驗證系統的拉曼熒光信號分離能力。團隊使用在表面涂覆熒光材料的硅片進行實驗(R6G-PVA-Si)。圖5a為樣品掃描結果熱圖(時間延遲 -1000-50000ps.光譜范圍為-500-10000cm-1)。將熱圖按照時間延遲進行區域劃分可以設置為拉曼區域，拉曼熒光混合區域，熒光區域。圖5b為不同區域的光譜均譜。可以看到在拉曼區域有明顯的硅峰信號，而隨著時間延遲增大，熒光信號開始顯現，直到無法看到硅峰信號。結果證明了系統的拉曼熒光分離能力。
圖5 R6G-PVA-Si 樣本拉曼熒光分離結果圖。
為了進一步驗證系統的時間門控拉曼2D掃描能力，團隊使用熒光小球進行實驗驗證，我們仍將全時間延遲分為拉曼、拉曼熒光混合、熒光三大部分，從圖中可以清晰看到在拉曼延遲范圍內，能夠獲得清晰的小球拉曼信號和2D掃描圖像。隨著時間延遲增加，在混合區域內開始出現明顯的熒光信號。再隨著時間延遲增加，2D熱圖中就無法觀測到小球的拉曼信號了（圖6）。結果證實，該儀器能夠有效地分離拉曼信號和熒光信號。
圖6：用 5μm PMMA 和 2μm PS 塑料微球用 R6G染色后測試結果圖。
本研究提出傅里葉式光子計數時間門控拉曼光譜技術，巧妙地融合光子計數的高靈敏度與傅里葉變換光譜的寬譜高分辨優勢，成功突破了傳統時間門控拉曼光譜在光譜范圍窄和分辨率低方面的核心限制。研究團隊通過嚴謹的實驗驗證，證實了該平臺能夠高效分離拉曼與熒光信號，并在單次測量中實現兩種成像模態的精準同步，解決了長期以來難以兼顧光譜信息與熒光壽命信息的難題。這一突破性設計有望成為拉曼熒光抑制的關鍵技術，在化學、生物學、材料科學、藥物檢測、環境監測等領域展現廣闊的應用前景。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02020-8
