时间：2020-10-31
共聚焦拉曼光谱不仅可以获得样品的光谱信息，还可以获得目标分子的高分辨率空间分布。然而，由于散射截面小，自发辐射的拉曼光谱信号一般比较微弱，传统的单焦点共聚焦拉曼由于积分时间长，用于高光谱成像或者多个单细胞长时间动态监测时效率十分低下。并行化采集是提高共聚焦拉曼光谱效率的有效途径。课题组早期通过分时复用的方式产生一维和二维的激光焦点阵列(图1a)，可以同时激发多个位置的拉曼信号，也可以囚禁多个单细胞用于单细胞动态过程测量(图1b)。为了区分不同焦点处的光谱信息，我们在光谱仪前同步扫描后向拉曼散射，将不同焦点处的拉曼信号投影到光谱采集CCD的不同行像素点上(图1c)，从而同时采集多个单细胞的拉曼光谱。
图1. 并行化共聚焦拉曼光谱。(a) 原理图；(b) 多光镊用于单细胞囚禁；(c) CCD记录的四个单细胞的拉曼散射。
为了进一步提高共聚焦拉曼光谱的采集效率，课题组还将拉曼散射的投影方式从一维拓展到二维，即将多个焦点的拉曼散射投影到光谱CCD的不同行与列像素点上，如图2(b)所示。采用基于主成分分析的压缩感知技术，可以重建出同一行像素点上来自不同激光焦点处的拉曼光谱信号(图2c)。
图2. 并行化共聚焦拉曼光谱技术用于高光谱拉曼成像。(a). 四个聚苯乙烯微球的显微图像；(b) 光谱CCD记录的324个焦点的拉曼散射(36×9)；(c)由重建光谱获得的拉曼图像。
此外，针对多个单细胞的并行化分析，课题组还发展了多种基于压缩感知的算法，进一步提高了光谱重建的保真度和信噪比，如图3所示。
图3. 基于压缩感知光谱重建算法。(a-d)重建的四个单细胞拉曼光谱。PI: 伪逆算法；L1：一范数模型；HS: 分层稀疏模型；GT: 真实光谱。
承担课题：
1. 国家重点研发计划课题,口岸食品快检产品和智能监控设备系统化适用性评价研究(2019YFC1605501), 2019.12-2022.12
2. 广西科学院科研发展基金, 水体环境微米级塑料微粒快速鉴别技术的建立及其应用, 2018.08-2021.07
发表的主要论文：
1. P Zhang*, G Wang*, S Huang, “Parallel micro-Raman spectroscopy of multiple cells in a single acquisition using hierarchical sparsity”, Analyst, 145, 6032-6037 (2020).
2. Zhang P.*, Wang, G., Zhang, X., Li, Y.-Q*, “Single-acquisition 2-D multifocal Raman spectroscopy using compressive sensing,” Analytical Chemistry, 92 (1), 1326-1332 (2020).
3. Zhang, P., Kong, L., Wang, G., Scotland, M., Ghosh S., Setlow, B., Setlow, P., and Li, Y.-Q., "Analysis of the slow germination of multiple individual superdormant B. subtilis spores using multifocus Raman microspectroscopy and DIC microscopy," Journal of Applied Microbiology, 112, 526-536 (2012).
4. Kong, L., Zhang P., Setlow, P., and Li, Y.-Q., "Multifocus confocal Raman microspectroscopy for rapid single-particle analysis," Journal of Biomedical Optics, 16, 120503 (2011).
5. Kong, L., Zhang, P., Yu, J., Setlow, P., and Li, Y.-Q., "Rapid confocal Raman imaging using a synchro multifoci-scan scheme for dynamic monitoring of single living cells," Applied Physics Letters, 98, 213703 (2011).
6. Zhang, P., Kong, L., Setlow, P., and Li, Y.-Q., "Multiple-trap laser tweezers Raman spectroscopy for simultaneous monitoring of the biological dynamics of multiple individual cells," Optics Letters, 35, 3321-3323 (2010).
