拉曼光谱编码技术及其应用研究进展

汤婧怡,朱伟,2,沈爱国,2*

(1.武汉大学图像传播与印刷包装研究中心,武汉 430079 2.武汉纺织大学生物工程与健康学院,武汉 430200)

0 引言

编码是信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程,最初是作为计算机术语存在。人们根据编码的原理将其引申发展至将有限的“字符”进行排列组合等转换形式实现更多种信息的输出,出现了诸如光谱编码、图形编码、化学编码和电子编码等多种编码形式[1]。

其中,光谱编码指的是将有限的光谱信号输出通过物理或化学的方式使其两种或多种组合,从而得到更多光谱信号输出的手段,可以实现高通量的生物检测和成像及高容量信息存储等需求。光谱编码一般包括荧光光谱编码、反射光谱编码和拉曼光谱编码等。荧光光谱具有灵敏度高且易于识别等优点,人们研究并开发了许多使用荧光光谱编码的方法,常用荧光染料分子或量子点等提供的荧光光谱进行编码。例如Amit A. Nagarkar等人[2]将荧光染料分子通过喷墨打印的方式沉积在固体表面上,识别分子在混合物中存在或不存在的状态进行二进制编码,实现了简单快捷且读取方便的大容量信息存储。然而荧光光谱仍具有不能忽视的缺点,例如具有相同激发波长的荧光染料的数量有限,由宽发射谱引起的发射带重叠的问题。此外,有机荧光团显示的荧光强度高度依赖于化学环境,可能由此产生光漂白问题,这都使得荧光编码的编码容量和能力大大降低。而反射光谱表达了物质反射电磁辐射的能力,不同性质的物质,或相同属性的物质在其成份、颜色、表面结构、含水性(率)等不同时,其反射光谱特性也不同。由于光子晶体可以控制光子的传播,常利用光子晶体的反射峰进行编码[3]。由于光子晶体的反射峰源于自身的物理结构,其编码不但具有更好的稳定性,而且避免了和荧光之间的干扰问题,具有提高检测灵敏度的潜力。但是光子晶体在可见光范围内的种类相对较少,编码能力受到了限制。

拉曼散射是分子对光子的一种非弹性散射效应,拉曼特征峰的带宽很窄,相较于荧光,拉曼光谱可以从UV到NIR的宽光谱范围的激发中获得特定的分子振动光谱。研究者们常应用在拉曼指纹区(400-1800 cm-1)和拉曼静默区(1800-2800 cm-1)的信号分子进行编码,其中拉曼静默区无生物背景干扰及特征峰窄(<2 nm)等优势具有很大的发展前景。与此同时,普通拉曼光谱虽然存在信号强度较低的问题,但可以通过利用等离子体纳米材料Ag和Au等的局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)的有效激发,得到具有高灵敏度、高特异性和强微量分析能力的表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)以及使用高强度的激光和物质分子发生强烈的相互作用而产生的受激拉曼散射(Stimulated Raman scattering, SRS),这都可以使拉曼信号被放大到几个数量级,更丰富了拉曼光谱编码在多个领域的应用。

1 拉曼光谱编码技术

1.1 基于拉曼光谱位移的编码技术

基于拉曼位移的编码技术是将具有不同拉曼位移的拉曼信号分子转换成实际应用中所需要的其他形式,通过对拉曼信号分子进行组合,从而得到更多种不同的光谱信号输出。研究者们常用位于拉曼指纹区和静默区的信号分子进行拉曼光谱编码,通过不同种的组合方式得到更多的信号输出。

其中比较常见的是在制备拉曼标签时对拉曼信号分子进行编码,研究者们一般使用物理共混、化学驱动等方式将拉曼信号分子组合到一起。Furkan Sahin等人[4]采用物理共混的方式,将拉曼信号分子直接掺杂到墨水中实现编码。Liu等人[5]同样采用物理共混的方式将拉曼信号分子进行组合编码,首先采用原位生长的方法制备了由银纳米粒子和棉纱组成的多功能等离子体织物,随后将棉纱分别浸入单种拉曼信号分子溶液或多种拉曼信号分子混合溶液中,标记等离子体棉纱,得到更多种拉曼光谱信号输出。化学驱动拉曼信号分子进行组合编码的方式常被用在SERS编码时的情况,在将拉曼信号分子修饰到金属纳米颗粒上时,将一种或多种拉曼信号分子修饰在金属纳米颗粒上实现编码。Lai等人[6]使用微米级聚苯乙烯珠负载SERS活性纳米颗粒,将4-巯基苯甲酸(MBA)、7-巯基-4-甲基香豆素(MMC)、2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸(MMTAA)、5-硫代-2-硝基苯甲酸(MNBA)和2,3,5,6-四氟-4-巯基苯甲酸(TFMBA)作为光谱识别的拉曼信号分子修饰在金纳米颗粒上。5种信号分子的拉曼特征峰分别为1080 cm-1(芳环的振动)、1172 cm-1(C=O振动)、1290 cm-1(CH2面内变形)、1337 cm-1(对称硝基拉伸振动)和1380 cm-1(环伸缩),都有较大差距,使用5种分子进行排列组合共可以得到31种不同且易于区分的光谱,在单珠水平上实现了编码。同样只要增加拉曼信号分子的数量就可以得到更多种不同输出的光谱,在多路生物标志物检测上有巨大潜力。Aberasturi等人[7]用苯乙醇(BT)、1-萘乙醇(1-NaT)、2-萘乙醇(2-NaT)、4-甲基苯乙醇(4-MBT)、联苯-4-硫醇(4-BPT)和巯基吡啶(4-MP)作为拉曼信号分子制作了多路复用SERS纳米标签,可以检测、区分以及成像不同种细胞。

图1 基于拉曼位移的编码。(A)、(B)MBA、MMC、MMTAA、MNBA和TFMBA组合编码,共得到31种光谱信号输出;(C)BT、1-NaT、2-NaT、4-MBT、4-BPT和4-MP组合编码Fig.1 Coding based on Raman displacement. (A), (B) Combined coding of MBA, MMC, MMTAA, MNBA and TFMBA, a total of 31 spectral signal outputs are obtained; (C) Combined encoding of BT, 1-NaT, 2-NaT, 4-MBT, 4-BPT, and 4-MP

与上述的在制备拉曼标签时就实现了编码的方法不同,我们组还提出了点击SERS、混频SERS和组频SERS的方法,使其在检测的过程中使制备好的未编码的SERS标签通过不同种方式聚集在一起,从而实现编码。应用了位于拉曼静默区的信号分子,由于在静默区无生物背景干扰并且特征峰更窄,在编码方面更具优势。

其中,点击SERS是根据其与点击化学的相似性初步定义的,通过类似于点击化学中的小分子单元的可控拼接,实现多种动态的光谱输出,在高通量多重生物标志物识别和精确的细胞成像方面具有巨大的编码能力[8]。并在基于一步DNA杂交反应和逻辑计算的多重液体活检中得到验证,从而能够在一次扫描下同步检测10个复杂的生物标志物。

对于混频SERS,我们用磁诱导聚集单个拉曼信号分子产生的SERS使其混合,发出均匀和特异的信号[9]。将三键编码的SERS标签锚定磁珠表面,同时形成微尺度的核心-卫星组装结构。在磁力的作用下,这些核心卫星粒子聚集在一起完成编码实现了多种目标物检测的需求。

与此同时我们组还开发了一系列CN桥接配位聚合物包封的金纳米颗粒,CN桥的SERS发射可以通过用其他金属离子简单取代Fe2+/Fe3+来灵活调节。聚焦激光可以将几种单一的三键的SERS发射编码组合成一个独特而独立的输出,即所谓的组频SERS[10]。研究表明,仅使用拉曼静默区中的n个不同的拉曼位移,组频SERS就可以同时提供2n-1个编码,可对多种细菌细胞进行标识。

1.2 基于拉曼光谱位移与强度的联合编码技术

使用基于拉曼光谱位移的编码方法,想要获得更大的编码容量就需要大量的拉曼信号分子。尽管目前在售的拉曼信号分子数量比较多,但是当用到大量的分子进行编码时难免会因为化学结构相似而导致无法通过拉曼位移将它们清晰的区分出来,或者需要更加复杂的制备方式来获取拉曼信号分子,这都限制了基于拉曼位移的编码方法的实际编码能力。若想只通过拉曼编码方法得到更大的编码容量,则可以引入拉曼信号强度,将拉曼位移与强度联合编码。扩大拉曼编码容量的方法,一种是使用更多种类型的拉曼信号分子n,另一种是增加化学物质的浓度水平也就是拉曼信号强度级别m,共可以得到mn个组合。有以下几种方法用于改变拉曼强度进行编码。

图2 在检测过程中进行的编码。(A)点击SERS;(B)混频SERS;(C)组频SERSFig.2 Encoding during the detection process. (A) Click SERS; (B) Mixing SERS; (C)Combined SERS

首先可以通过改变拉曼信号分子合成过程中的单体的比例来改变拉曼信号强度。Zhu等[11]通过调节共聚中三种化学性质不同的三键单体的相对剂量,设计了一类富含三键的聚合物纳米颗粒(NP)。使用共聚合来调节4-乙烯基-2-甲氧基-丙烯腈和4-乙烯基-丙烯腈的比例,获得了额外的拉曼活性聚合物,这些聚合物表现出双三键拉曼特征,每个三键拉曼峰的拉曼强度比可变,该键合策略允许15种光谱上可区分的三键组合。

除此之外还可以通过调节拉曼信号分子共混的比例,实现拉曼信号强度的改变。Yu等人[12]将拉曼位移分别为2227和2241 cm-1的两种含三键聚合物纳米粒子设计成可打印油墨,通过将两种聚合物纳米粒子的体积比例分别调节为3∶1、2.5∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1、1∶1.5、1∶1.2获得拉曼特征峰相同但拉曼信号强度不同的光谱,包括两种聚合物单独存在和都不存在的情况,共能够实现10种不同的信号输出。

Zou等人[13]通过液滴光流技术开发了SERS编码磁珠,选择DTP、BTP和MMTAA三种分子作为编码用的拉曼信号分子,根据信号的强弱将拉曼信号强度分为0、1、2三个级别。通过拉曼位移和强度联合编码,3种信号分子和三个级别强度可以获得26个不同的光谱。Huo等人[14]选用4-MBA、R6G、MB、CV、三聚氰胺、4-ATP、4-MPy、乙醇和MG这9种拉曼信号分子进行编码,只使用9种物质是否存在进行排列组合就可以得到512种可能的排列组合,同时他们发现可以通过改变拉曼信号分子在标签中的化学浓度来扩大信息容量。由于它们的峰值强度可以很好的在PCA评分图中区分,以MG为例,当MG浓度分别为100、50、25和0 μM时,它们的拉曼强度明显不同并易于区分,如果这9种物质都可以在4种不同浓度下被区分则可以实现262144种组合。

1.3 拉曼光谱与荧光信号联合编码技术

通过拉曼位移和强度联合编码可以获得较大的编码容量,但是大部分有机拉曼信号分子的光谱区域在500-2000 cm-1的范围内,并且常用的拉曼信号分子部分具有类似的化学结构。尽管拉曼光谱具有相对非常窄的带宽,但当同时使用多个信号分子的时候,尽管是非常窄的带宽仍然会变得相当拥挤,导致不可避免的光谱重叠,这导致解码多个信号分子时会变得十分困难,大大限制了实际可用的拉曼信号分子数量。为了解决这些问题,可以将其他信号引入到编码方法中,例如将拉曼与荧光联合编码,因为与拉曼信号互不干扰,荧光信号的引入可以缓解当拉曼信号分子过多时造成的光谱重叠的问题,有效的提升了编码能力。除此之外,还可以将拉曼编码与现有的信息技术编码相结合,例如条形码、二维码或二进制编码等,也可以增大编码容量,提升了编码能力。

图3 基于拉曼位移与强度的编码。(A)调节共聚中三种化学性质不同的三键单体的相对剂量改变拉曼信号强度;(B)调整拉曼信号分子共混比例改变信号强度;(C)将拉曼信号强度分为0、1、2三个级别编码Fig.3 Coding based on Raman displacement and intensity. (A) Adjusting the relative dose of three chemically different tribonded monomers in copolymerization changes the Raman signal intensity; (B) Adjusting the blending ratio of Raman signal molecules to change the signal strength; (C) The Raman signal strength is divided into three levels of 0, 1 and 2

为了解决单一使用拉曼信号分子编码时导致的光谱重叠限制编码容量的问题,将荧光信号引入到编码方法中,使用拉曼与荧光联合编码,可以缓解光谱重叠的问题,大大地提高了编码容量。Li等人[15]设计并制备了一种新型的双模编码磁性复合微球(FMF/MNP/AgNPs/SiO2),使用了3种荧光信号分子(7-HCM、FITC和PHB)和4种拉曼信号分子(ATP、CTP、DTNB和HTP)拉曼与荧光联合编码方法进行了探索,可以实现128种不同的信号输出,这也证实了拉曼与荧光联合编码的可能,可以使用更多不同的荧光信号分子和拉曼信号分子组合在一起获得更大的编码能力。Wang等人[16]通过使用具有纳米层结构的有机-金属-量子点(QD)杂化纳米颗粒(OMQ-NP),证明了一种新的光学编码方法概念,即表面增强拉曼散射(SERS)-荧光联合光谱编码方法(SFJSE),这种方法有两个特点,大大地扩大了编码容量。首先,通过使用联合SERS荧光信号作为编码元件,由于利用了光致发光(PL)和SERS光谱区域,可用于编码的光谱范围被加宽,从而可以有更多在光谱上可区分的代码,此外,还考虑了强度编码模式,使编码容量进一步增大。所提出的SFJSE方法,实际可以生成的代码数量远多于通过传统的基于荧光或SERS的编码方法生成的代码。他们采用了具有2个不同发射波长的CdTe量子点,以及2个拉曼信号分子,4-巯基苯甲酸(4MBA)和5,5′-二硫代双(2-硝基苯甲酸)(DTNB)。将上述量子点和拉曼信号分子进行组合,总共可以得到15个具有不同信号的光谱,并且可以简单地通过增加量子点和拉曼信号分子的数量来增大编码容量。

图4 拉曼光谱编码与荧光相结合。(A)利用7-HCM、FITC和PHB作为荧光信号分子,ATP、CTP、DTNB和HTP作为拉曼信号分子的双模编码微球;(B)2个不同发射波长的CdTe量子点,以及2个拉曼信号分子得到的15种信号输出Fig.4 Raman spectral coding combined with fluorescence. (A) Dual-mode coded microspheres using 7-HCM, FITC and PHB as fluorescence signaling molecules and ATP, CTP, DTNB and HTP as Raman signaling molecules; (B) 2 CdTe quantum dots with different emission wavelengths, and fifteen signal outputs from two Raman signal molecules

1.4 拉曼光谱编码技术与其他编码方法结合

为了使解码更方便,常常将拉曼编码与信息技术联合编码,例如条形码、二维码和二进制编码等,这可以提高拉曼编码的编码能力。

当进行编码和解码时,复杂的光谱识别比较是一个棘手的问题。一种简便的方法就是将拉曼光谱与条形码相结合,可以将位移和强度信息转换成条形码中的不同位置和不同宽度的平行线来简化光谱信息,更易于识别。Zhou等[17]就将得到的拉曼光谱信息转换成了条形码,使x轴覆盖拉曼光谱的范围,每个特征峰在其相应位置被转换为条形。拉曼强度相对于最强峰值分为三类:低(6.25-25%)、中(25-62.5%)和高(>62.5%),分别将它们标记为细条、中条和粗条,通过这样的规则获得了一系列条形码,保留了峰值位置和强度这些最重要的信息。生成的条形码可以通过智能手机读取,因此可以很容易地识别其复杂信息。

另外一种与条形码和二维码结合使用的方法是将拉曼位移或强度作为第三维信息存储在其中,可以获得更大的编码容量,而且提高了二维码解码的安全性。Sahin等人[2]通过喷墨打印无颗粒活性银墨水制作二维码,将罗丹明6G、亚甲基蓝和罗丹明B作为拉曼信号分子结合到墨水中,用于按需打印二维码中的图案。与上一个研究不同的是,他们用不同的拉曼墨水打印出预设好的二维码图案来应用,而不是将光谱信息转换成条形码进行储存并解码。

除上述两种方法以外,为了存储和区分方便将拉曼光谱编码与二进制编码结合。Lai等人[6]使用二进制符号来表征5种拉曼信号分子的组合,其中“1”表示相应拉曼特征峰的存在和“0”表示不存在。当只具有一种拉曼信号分子时二进制的代码可能为10000、01000、00100、00010和00001,具有两种拉曼信号分子时的10种不同代码11000、10100、10010、10001、01100、01010、01001、00110、00101和00011,同理可得带有三种和四种拉曼信号分子时的代码,当五种信号分子都存在时只能生成一个代码11111。这样可以更直观清晰的识别出编码种类。

图5 拉曼光谱编码与条形码、二维码和二进制编码的结合。(A)将拉曼光谱的位移强度信息转换成条形码;(B)用不同拉曼信号分子打印出二维码;(C)将拉曼位移存在与否定义为1或0,转换为二进制编码Fig.5 Combination of Raman spectral coding with bar code, two-dimensional code and binary coding. (A) Convert the shift intensity information of Raman spectra into bar codes; (B) Printed QR codes with different Raman signaling molecules; (C) The presence or absence of Raman shift is defined as 1 or 0 and converted to binary encoding

2 拉曼光谱编码技术的应用

2.1 拉曼光谱编码在生物医学检测及成像中的应用

近年来,医学诊断领域迫切需要能够实现生物分子高通量检测的方法。传统的检测方法,如酶联免疫吸附测定法(ELISA)和化学发光免疫测定法是昂贵的,并且只允许单通道分析。为了解决这些问题大部分人提到了用拉曼编码方法来满足高通量检测需求。目前拉曼编码方法常被用在癌症诊断中,可通过检测癌细胞中特定分子的存在,实现早期癌症的检测和诊断。此外,拉曼编码还可用于细胞和组织的分子成像,可以非常细致地观察到不同细胞或组织内部的分布情况。

图6 (A)基于拉曼编码的特定亚细胞细胞器的多重成像;(B)使用CMSSMS NP进行精确的单细胞监测Fig.6 (A) Multiple imaging of specific subcellular organelles based on Raman coding; (B) Precise single-cell monitoring using CMSSMS NP

生物标志物的分析和筛选是疾病早期诊断的有力工具。到目前为止,已发现的与癌症相关的生物标志物包括蛋白质(例如受体、癌症抗原)和微RNA(miRNAs)等。拉曼编码已经被用于检测多种肿瘤标志物,例如AFP、HER2、PSA等,可以实现对肿瘤的早期诊断和治疗。在这种应用中,使用编码后的不同的拉曼标签来标记不同的肿瘤标志物,通过检测样本中的拉曼信号来确定肿瘤标志物的存在和数量。这种方法具有高灵敏度和高特异性,并且可以在非侵入性的条件下进行,具有超高的多路复用能力。例如Zou等人[13]使用单分散SERS编码的磁性纳米球作为构建块,开发了周期性SERS编码磁珠(PSE-MBs)。当PSE-MBs在基于SERS的免疫测定中用作捕获载体时,根据收集的SERS编码信号,可以容易地识别SERS纳米探针的多靶分析物和聚焦信号。因此,通过这种检测方案可以方便地实现对多种目标分析物的可靠定量分析。他们还实际测试了包括AFP和CEA在内的两种肿瘤生物标志物,多重检测结果表明,PSE-MBs可以在基于SERS的多重生物测定中作为强大的捕获载体,在实际临床样本分析中具有高灵敏度、高选择性和可靠性。

与此同时,IgG的检测对于确定感染性或免疫系统相关疾病也很重要。通常通过IgG与其特异性抗体之间的免疫识别来实现IgG的种类和浓度识别。例如Wang等人[16]制备了三种不同类型的SERS标记编码微石英片(MQP)用于多重蛋白质检测,将它们分别与小鼠IgG、兔IgG和人IgG结合,对其进行解码后与标记的抗体种类一致,表明编码后的MQP可以捕获特异性抗体。

除了对生物标志物等的高通量检测应用,拉曼光谱编码在生物成像上的应用时近年来在生物医学领域的一个热点研究方向,可以实现活细胞的动态监测。相比传统成像技术,如荧光成像、MRI等,拉曼成像技术具有非破坏性、无需染色、高分辨率等优势,被广泛应用于生物成像中,而引入拉曼编码方法更是在具有上述优势的同时还拥有超高的多路复用能力。Zhu等人[11]设计了一类富含三键的聚合物纳米颗粒,为了证实拉曼活性聚合物的多路复用能力可以同时观察活细胞中的多个亚细胞器,选择了三种拉曼探针(ER-P1、Lyso-P3、CM-P8)对活MCF-7细胞中的细胞器进行共染色。基于活MCF-7细胞中独特拉曼光谱的颜色编码,确定了每个亚细胞器的空间位置。此外,通过生物透射电子显微镜(在相关细胞器中直接检测到细胞内聚合物,实现了高通量多色生物医学成像。Su等[18]合成了等离子体编码拉曼散射纳米颗粒,命名为Au核-拉曼信号分子-Ag壳-Au壳纳米颗粒(CMSS NPs)。单个CMSS NP在单细胞拉曼成像中表现出超高亮度、再现性、选择性和生物相容性,可以用于单个癌症细胞成像和识别,以及体内肿瘤成像。

总体而言,拉曼编码技术由于其快速且可以实现高通量检测等优势,在生物医学领域的应用前景非常广阔,但目前仍然存在一些技术挑战和限制,如信噪比、特异性等方面的问题。随着技术的不断发展和完善,相信拉曼编码在生物医学领域的应用将会更加成熟和广泛。

2.2 拉曼光谱编码在信息安全中的应用

除了在成像、生物分析检测方面的应用,不少人也致力于研究拉曼编码在信息领域的应用,如大容量的信息存储、信息加密和防伪领域。

可以使用拉曼光谱来编码信息并记录到介质中,然后通过读取编码信息来恢复原始数据。这种方法可以实现高密度、快速和长期的数据存储。对于大容量的信息存储,一般使用拉曼位移和拉曼信号强度联合编码的方法实现,并常常与计算机编码方式相结合使其更简便且能存储更多信息。例如Tang等人[19]使用拉曼静默区的炔烃分子的强烈自发拉曼散射的方法,创建了4个光谱波段的多个炔类化合物库。在每个波段中,每个单一化合物保持特定的拉曼位移,并允许使用与参考化合物以指定剂量混合的策略设计八进制码单元。这种新方法在实验上产生了迄今为止最大容量的不同光学条形码。将ASCII和Unicode系统编码为写和读语言的实验表明,拉曼编码方法为超大容量数据存储提供了一种新的策略。

拉曼编码还被广泛应用于信息加密领域。由于拉曼光谱具有独特的光学指纹特征和高度的灵敏性,因此可以用于编码和解码秘密信息。在拉曼编码的基础上,研究人员开发了许多不同的信息加密方法。例如在进行信息加密时可以通过拉曼位移和拉曼信号强度的双重加密提高信息的安全性。Li等人[20]设计并开发出一种水溶性和可官能化的聚二炔类化合物聚4,6-二炔癸二酸(poly(deca-4,6-diynedioic acid),简称 PDDA,只需调整13C/12C-DDA共混物中13C-DDA的摩尔比,就能精确地将不同比例的13C同位素加入到PDDA主链中,对双键的拉曼位移和三键(13C≡13C和12C≡12C)的拉曼信号强度比进行连续可控的调节。使用PDDA制备的墨水的固有颜色都是相同的黄色,肉眼无法分辨。并通过拉曼位移和拉曼强度双重加密信息,提高了安全性。利用了拉曼光谱的独特特性和高度灵敏性来实现信息的安全编码和解码,展示了拉曼编码在信息加密领域的广阔应用前景除了在信息存储和加密方面的应用,大部分拉曼光谱编码方法还用来制备防伪标签。假冒是一个全球性的长期问题,它对从钞票、贵重文件、药品、奢侈品到普通消费品的各种产品造成了重大的负面影响,危及经济、安全和人类健康等。近年来拉曼光谱由于其优异的综合性能和更高的安全指数在防伪中的应用比例大大增加。通过将拉曼标签添加到产品或包装上,可以生成一个唯一的“指纹”,以防止产品被伪造或替代。将条形码、二维码等编码技术与拉曼光谱编码相结合,增大了拉曼防伪标签解码难度。例如Zhou等[17]将制备的SERS油墨应用于签名防伪,所得光谱被转换为条形码,通过智能手机应用程序很容易检测到条形码,使SERS在签名防伪方面的实际应用又近了一步。Yu等[12]使用墨水打印各种像素图案,包括二维码。因为墨水的物理外观相同,肉眼看来并不能识别到其中的二维码信息。通过拉曼解码可以显示其中的二维码信息。此外,值得注意的是,因为二维码本质上是由黑白两色的像素点组合而成的 ,所以相同打印图案使用不同的解码方式可以得到完全相反的两种不同类型的信息。通过将二维码信息隐藏在肉眼不可分辨的图案中,只有通过特定的解码方式才能获取正确的二维码信息,增大了解码难度,提高了防伪水平。

图7 (A)拉曼编码用于高容量信息存储;(B)用于多维信息存储和加密;(C)隐藏二维码和字母等信息,可作为防伪标签Fig.7 (A) Raman coding is used for high-capacity information storage; (B) for multi-dimensional information storage and encryption; (C) Hiding information such as QR codes and letters, which can be used as anti-counterfeiting labels

3 总结与展望

本文中我们介绍了拉曼编码的主要原理、拉曼与荧光、条形码和二维码等联合编码的方法以及目前它们在不同领域的应用。

现阶段拉曼光谱编码的应用主要集中在生物医学检测成像及信息安全等方面。拉曼光谱编码在生物医学检测的领域有巨大的应用前景,但目前仍旧停留在研究阶段,距离实际的临床应用还有很多问题需要解决。例如拉曼成像技术在大面积检测与实时检测的方面仍有欠缺,无法在较短时间内得到诊断结果。今后仍需致力于实现快速、实时的拉曼信号采集并且能够在短时间内得到检测结果。在信息安全领域的应用也存在如上所述的问题,除此之外例如防伪标签等应用还要求能够进行现场的验证,目前的拉曼光谱仪体积相对较大且价格偏高,想要大范围的实现现场检测的需求仍有一段距离。

对于拉曼光谱来说,它可以获取任何分子的独特振动指纹峰,并且拉曼特征峰的带宽很窄,理论上这使得拉曼光谱具有无限数量的光谱特征,同时能够引入的拉曼强度和其他方法相结合的编码方法使得它的编码能力大大增强。可是仍会存在一些问题,比如当用到大量的分子进行编码时难免会因为化学结构相似而导致无法通过拉曼位移将它们清晰的区分出来,或者需要更加复杂的制备方式来获取拉曼信号分子,拉曼强度可能会存在不太稳定的情况,这些都限制了基于拉曼编码方法的实际编码能力。

目前仍需要致力于发掘制备更简便、强度更稳定、应用范围更广的拉曼信号 分子,适当将拉曼编码与其他方法相结合,获取更高精度、容量更大的编码方法。