拉曼光譜編碼技術及其應用研究進展

湯婧怡,朱偉,2,沈愛國,2*

(1.武漢大學圖像傳播與印刷包裝研究中心,武漢 430079 2.武漢紡織大學生物工程與健康學院,武漢 430200)

0 引言

編碼是信息從一種形式或格式轉換為另一種形式的過程,最初是作為計算機術語存在。人們根據編碼的原理將其引申發展至將有限的“字符”進行排列組合等轉換形式實現更多種信息的輸出,出現了諸如光譜編碼、圖形編碼、化學編碼和電子編碼等多種編碼形式[1]。

其中,光譜編碼指的是將有限的光譜信號輸出通過物理或化學的方式使其兩種或多種組合,從而得到更多光譜信號輸出的手段,可以實現高通量的生物檢測和成像及高容量信息存儲等需求。光譜編碼一般包括熒光光譜編碼、反射光譜編碼和拉曼光譜編碼等。熒光光譜具有靈敏度高且易于識別等優點,人們研究并開發了許多使用熒光光譜編碼的方法,常用熒光染料分子或量子點等提供的熒光光譜進行編碼。例如Amit A. Nagarkar等人[2]將熒光染料分子通過噴墨打印的方式沉積在固體表面上,識別分子在混合物中存在或不存在的狀態進行二進制編碼,實現了簡單快捷且讀取方便的大容量信息存儲。然而熒光光譜仍具有不能忽視的缺點,例如具有相同激發波長的熒光染料的數量有限,由寬發射譜引起的發射帶重疊的問題。此外,有機熒光團顯示的熒光強度高度依賴于化學環境,可能由此產生光漂白問題,這都使得熒光編碼的編碼容量和能力大大降低。而反射光譜表達了物質反射電磁輻射的能力,不同性質的物質,或相同屬性的物質在其成份、顏色、表面結構、含水性(率)等不同時,其反射光譜特性也不同。由于光子晶體可以控制光子的傳播,常利用光子晶體的反射峰進行編碼[3]。由于光子晶體的反射峰源于自身的物理結構,其編碼不但具有更好的穩定性,而且避免了和熒光之間的干擾問題,具有提高檢測靈敏度的潛力。但是光子晶體在可見光范圍內的種類相對較少,編碼能力受到了限制。

拉曼散射是分子對光子的一種非彈性散射效應,拉曼特征峰的帶寬很窄,相較于熒光,拉曼光譜可以從UV到NIR的寬光譜范圍的激發中獲得特定的分子振動光譜。研究者們常應用在拉曼指紋區(400-1800 cm-1)和拉曼靜默區(1800-2800 cm-1)的信號分子進行編碼,其中拉曼靜默區無生物背景干擾及特征峰窄(<2 nm)等優勢具有很大的發展前景。與此同時,普通拉曼光譜雖然存在信號強度較低的問題,但可以通過利用等離子體納米材料Ag和Au等的局域表面等離子體共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)的有效激發,得到具有高靈敏度、高特異性和強微量分析能力的表面增強拉曼光譜(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)以及使用高強度的激光和物質分子發生強烈的相互作用而產生的受激拉曼散射(Stimulated Raman scattering, SRS),這都可以使拉曼信號被放大到幾個數量級,更豐富了拉曼光譜編碼在多個領域的應用。

1 拉曼光譜編碼技術

1.1 基于拉曼光譜位移的編碼技術

基于拉曼位移的編碼技術是將具有不同拉曼位移的拉曼信號分子轉換成實際應用中所需要的其他形式,通過對拉曼信號分子進行組合,從而得到更多種不同的光譜信號輸出。研究者們常用位于拉曼指紋區和靜默區的信號分子進行拉曼光譜編碼,通過不同種的組合方式得到更多的信號輸出。

其中比較常見的是在制備拉曼標簽時對拉曼信號分子進行編碼,研究者們一般使用物理共混、化學驅動等方式將拉曼信號分子組合到一起。Furkan Sahin等人[4]采用物理共混的方式,將拉曼信號分子直接摻雜到墨水中實現編碼。Liu等人[5]同樣采用物理共混的方式將拉曼信號分子進行組合編碼,首先采用原位生長的方法制備了由銀納米粒子和棉紗組成的多功能等離子體織物,隨后將棉紗分別浸入單種拉曼信號分子溶液或多種拉曼信號分子混合溶液中,標記等離子體棉紗,得到更多種拉曼光譜信號輸出?；瘜W驅動拉曼信號分子進行組合編碼的方式常被用在SERS編碼時的情況,在將拉曼信號分子修飾到金屬納米顆粒上時,將一種或多種拉曼信號分子修飾在金屬納米顆粒上實現編碼。Lai等人[6]使用微米級聚苯乙烯珠負載SERS活性納米顆粒,將4-巰基苯甲酸(MBA)、7-巰基-4-甲基香豆素(MMC)、2-巰基-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-巰基苯甲酸(TFMBA)作為光譜識別的拉曼信號分子修飾在金納米顆粒上。5種信號分子的拉曼特征峰分別為1080 cm-1(芳環的振動)、1172 cm-1(C=O振動)、1290 cm-1(CH2面內變形)、1337 cm-1(對稱硝基拉伸振動)和1380 cm-1(環伸縮),都有較大差距,使用5種分子進行排列組合共可以得到31種不同且易于區分的光譜,在單珠水平上實現了編碼。同樣只要增加拉曼信號分子的數量就可以得到更多種不同輸出的光譜,在多路生物標志物檢測上有巨大潛力。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)、聯苯-4-硫醇(4-BPT)和巰基吡啶(4-MP)作為拉曼信號分子制作了多路復用SERS納米標簽,可以檢測、區分以及成像不同種細胞。

圖1 基于拉曼位移的編碼。(A)、(B)MBA、MMC、MMTAA、MNBA和TFMBA組合編碼,共得到31種光譜信號輸出;(C)BT、1-NaT、2-NaT、4-MBT、4-BPT和4-MP組合編碼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

與上述的在制備拉曼標簽時就實現了編碼的方法不同,我們組還提出了點擊SERS、混頻SERS和組頻SERS的方法,使其在檢測的過程中使制備好的未編碼的SERS標簽通過不同種方式聚集在一起,從而實現編碼。應用了位于拉曼靜默區的信號分子,由于在靜默區無生物背景干擾并且特征峰更窄,在編碼方面更具優勢。

其中,點擊SERS是根據其與點擊化學的相似性初步定義的,通過類似于點擊化學中的小分子單元的可控拼接,實現多種動態的光譜輸出,在高通量多重生物標志物識別和精確的細胞成像方面具有巨大的編碼能力[8]。并在基于一步DNA雜交反應和邏輯計算的多重液體活檢中得到驗證,從而能夠在一次掃描下同步檢測10個復雜的生物標志物。

對于混頻SERS,我們用磁誘導聚集單個拉曼信號分子產生的SERS使其混合,發出均勻和特異的信號[9]。將三鍵編碼的SERS標簽錨定磁珠表面,同時形成微尺度的核心-衛星組裝結構。在磁力的作用下,這些核心衛星粒子聚集在一起完成編碼實現了多種目標物檢測的需求。

與此同時我們組還開發了一系列CN橋接配位聚合物包封的金納米顆粒,CN橋的SERS發射可以通過用其他金屬離子簡單取代Fe2+/Fe3+來靈活調節。聚焦激光可以將幾種單一的三鍵的SERS發射編碼組合成一個獨特而獨立的輸出,即所謂的組頻SERS[10]。研究表明,僅使用拉曼靜默區中的n個不同的拉曼位移,組頻SERS就可以同時提供2n-1個編碼,可對多種細菌細胞進行標識。

1.2 基于拉曼光譜位移與強度的聯合編碼技術

使用基于拉曼光譜位移的編碼方法,想要獲得更大的編碼容量就需要大量的拉曼信號分子。盡管目前在售的拉曼信號分子數量比較多,但是當用到大量的分子進行編碼時難免會因為化學結構相似而導致無法通過拉曼位移將它們清晰的區分出來,或者需要更加復雜的制備方式來獲取拉曼信號分子,這都限制了基于拉曼位移的編碼方法的實際編碼能力。若想只通過拉曼編碼方法得到更大的編碼容量,則可以引入拉曼信號強度,將拉曼位移與強度聯合編碼。擴大拉曼編碼容量的方法,一種是使用更多種類型的拉曼信號分子n,另一種是增加化學物質的濃度水平也就是拉曼信號強度級別m,共可以得到mn個組合。有以下幾種方法用于改變拉曼強度進行編碼。

圖2 在檢測過程中進行的編碼。(A)點擊SERS;(B)混頻SERS;(C)組頻SERSFig.2 Encoding during the detection process. (A) Click SERS; (B) Mixing SERS; (C)Combined SERS

首先可以通過改變拉曼信號分子合成過程中的單體的比例來改變拉曼信號強度。Zhu等[11]通過調節共聚中三種化學性質不同的三鍵單體的相對劑量,設計了一類富含三鍵的聚合物納米顆粒(NP)。使用共聚合來調節4-乙烯基-2-甲氧基-丙烯腈和4-乙烯基-丙烯腈的比例,獲得了額外的拉曼活性聚合物,這些聚合物表現出雙三鍵拉曼特征,每個三鍵拉曼峰的拉曼強度比可變,該鍵合策略允許15種光譜上可區分的三鍵組合。

除此之外還可以通過調節拉曼信號分子共混的比例,實現拉曼信號強度的改變。Yu等人[12]將拉曼位移分別為2227和2241 cm-1的兩種含三鍵聚合物納米粒子設計成可打印油墨,通過將兩種聚合物納米粒子的體積比例分別調節為3∶1、2.5∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1、1∶1.5、1∶1.2獲得拉曼特征峰相同但拉曼信號強度不同的光譜,包括兩種聚合物單獨存在和都不存在的情況,共能夠實現10種不同的信號輸出。

Zou等人[13]通過液滴光流技術開發了SERS編碼磁珠,選擇DTP、BTP和MMTAA三種分子作為編碼用的拉曼信號分子,根據信號的強弱將拉曼信號強度分為0、1、2三個級別。通過拉曼位移和強度聯合編碼,3種信號分子和三個級別強度可以獲得26個不同的光譜。Huo等人[14]選用4-MBA、R6G、MB、CV、三聚氰胺、4-ATP、4-MPy、乙醇和MG這9種拉曼信號分子進行編碼,只使用9種物質是否存在進行排列組合就可以得到512種可能的排列組合,同時他們發現可以通過改變拉曼信號分子在標簽中的化學濃度來擴大信息容量。由于它們的峰值強度可以很好的在PCA評分圖中區分,以MG為例,當MG濃度分別為100、50、25和0 μM時,它們的拉曼強度明顯不同并易于區分,如果這9種物質都可以在4種不同濃度下被區分則可以實現262144種組合。

1.3 拉曼光譜與熒光信號聯合編碼技術

通過拉曼位移和強度聯合編碼可以獲得較大的編碼容量,但是大部分有機拉曼信號分子的光譜區域在500-2000 cm-1的范圍內,并且常用的拉曼信號分子部分具有類似的化學結構。盡管拉曼光譜具有相對非常窄的帶寬,但當同時使用多個信號分子的時候,盡管是非常窄的帶寬仍然會變得相當擁擠,導致不可避免的光譜重疊,這導致解碼多個信號分子時會變得十分困難,大大限制了實際可用的拉曼信號分子數量。為了解決這些問題,可以將其他信號引入到編碼方法中,例如將拉曼與熒光聯合編碼,因為與拉曼信號互不干擾,熒光信號的引入可以緩解當拉曼信號分子過多時造成的光譜重疊的問題,有效的提升了編碼能力。除此之外,還可以將拉曼編碼與現有的信息技術編碼相結合,例如條形碼、二維碼或二進制編碼等,也可以增大編碼容量,提升了編碼能力。

圖3 基于拉曼位移與強度的編碼。(A)調節共聚中三種化學性質不同的三鍵單體的相對劑量改變拉曼信號強度;(B)調整拉曼信號分子共混比例改變信號強度;(C)將拉曼信號強度分為0、1、2三個級別編碼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

為了解決單一使用拉曼信號分子編碼時導致的光譜重疊限制編碼容量的問題,將熒光信號引入到編碼方法中,使用拉曼與熒光聯合編碼,可以緩解光譜重疊的問題,大大地提高了編碼容量。Li等人[15]設計并制備了一種新型的雙模編碼磁性復合微球(FMF/MNP/AgNPs/SiO2),使用了3種熒光信號分子(7-HCM、FITC和PHB)和4種拉曼信號分子(ATP、CTP、DTNB和HTP)拉曼與熒光聯合編碼方法進行了探索,可以實現128種不同的信號輸出,這也證實了拉曼與熒光聯合編碼的可能,可以使用更多不同的熒光信號分子和拉曼信號分子組合在一起獲得更大的編碼能力。Wang等人[16]通過使用具有納米層結構的有機-金屬-量子點(QD)雜化納米顆粒(OMQ-NP),證明了一種新的光學編碼方法概念,即表面增強拉曼散射(SERS)-熒光聯合光譜編碼方法(SFJSE),這種方法有兩個特點,大大地擴大了編碼容量。首先,通過使用聯合SERS熒光信號作為編碼元件,由于利用了光致發光(PL)和SERS光譜區域,可用于編碼的光譜范圍被加寬,從而可以有更多在光譜上可區分的代碼,此外,還考慮了強度編碼模式,使編碼容量進一步增大。所提出的SFJSE方法,實際可以生成的代碼數量遠多于通過傳統的基于熒光或SERS的編碼方法生成的代碼。他們采用了具有2個不同發射波長的CdTe量子點,以及2個拉曼信號分子,4-巰基苯甲酸(4MBA)和5,5′-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)(DTNB)。將上述量子點和拉曼信號分子進行組合,總共可以得到15個具有不同信號的光譜,并且可以簡單地通過增加量子點和拉曼信號分子的數量來增大編碼容量。

圖4 拉曼光譜編碼與熒光相結合。(A)利用7-HCM、FITC和PHB作為熒光信號分子,ATP、CTP、DTNB和HTP作為拉曼信號分子的雙模編碼微球;(B)2個不同發射波長的CdTe量子點,以及2個拉曼信號分子得到的15種信號輸出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 拉曼光譜編碼技術與其他編碼方法結合

為了使解碼更方便,常常將拉曼編碼與信息技術聯合編碼,例如條形碼、二維碼和二進制編碼等,這可以提高拉曼編碼的編碼能力。

當進行編碼和解碼時,復雜的光譜識別比較是一個棘手的問題。一種簡便的方法就是將拉曼光譜與條形碼相結合,可以將位移和強度信息轉換成條形碼中的不同位置和不同寬度的平行線來簡化光譜信息,更易于識別。Zhou等[17]就將得到的拉曼光譜信息轉換成了條形碼,使x軸覆蓋拉曼光譜的范圍,每個特征峰在其相應位置被轉換為條形。拉曼強度相對于最強峰值分為三類:低(6.25-25%)、中(25-62.5%)和高(>62.5%),分別將它們標記為細條、中條和粗條,通過這樣的規則獲得了一系列條形碼,保留了峰值位置和強度這些最重要的信息。生成的條形碼可以通過智能手機讀取,因此可以很容易地識別其復雜信息。

另外一種與條形碼和二維碼結合使用的方法是將拉曼位移或強度作為第三維信息存儲在其中,可以獲得更大的編碼容量,而且提高了二維碼解碼的安全性。Sahin等人[2]通過噴墨打印無顆?；钚糟y墨水制作二維碼,將羅丹明6G、亞甲基藍和羅丹明B作為拉曼信號分子結合到墨水中,用于按需打印二維碼中的圖案。與上一個研究不同的是,他們用不同的拉曼墨水打印出預設好的二維碼圖案來應用,而不是將光譜信息轉換成條形碼進行儲存并解碼。

除上述兩種方法以外,為了存儲和區分方便將拉曼光譜編碼與二進制編碼結合。Lai等人[6]使用二進制符號來表征5種拉曼信號分子的組合,其中“1”表示相應拉曼特征峰的存在和“0”表示不存在。當只具有一種拉曼信號分子時二進制的代碼可能為10000、01000、00100、00010和00001,具有兩種拉曼信號分子時的10種不同代碼11000、10100、10010、10001、01100、01010、01001、00110、00101和00011,同理可得帶有三種和四種拉曼信號分子時的代碼,當五種信號分子都存在時只能生成一個代碼11111。這樣可以更直觀清晰的識別出編碼種類。

圖5 拉曼光譜編碼與條形碼、二維碼和二進制編碼的結合。(A)將拉曼光譜的位移強度信息轉換成條形碼;(B)用不同拉曼信號分子打印出二維碼;(C)將拉曼位移存在與否定義為1或0,轉換為二進制編碼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 拉曼光譜編碼技術的應用

2.1 拉曼光譜編碼在生物醫學檢測及成像中的應用

近年來,醫學診斷領域迫切需要能夠實現生物分子高通量檢測的方法。傳統的檢測方法,如酶聯免疫吸附測定法(ELISA)和化學發光免疫測定法是昂貴的,并且只允許單通道分析。為了解決這些問題大部分人提到了用拉曼編碼方法來滿足高通量檢測需求。目前拉曼編碼方法常被用在癌癥診斷中,可通過檢測癌細胞中特定分子的存在,實現早期癌癥的檢測和診斷。此外,拉曼編碼還可用于細胞和組織的分子成像,可以非常細致地觀察到不同細胞或組織內部的分布情況。

圖6 (A)基于拉曼編碼的特定亞細胞細胞器的多重成像;(B)使用CMSSMS NP進行精確的單細胞監測Fig.6 (A) Multiple imaging of specific subcellular organelles based on Raman coding; (B) Precise single-cell monitoring using CMSSMS NP

生物標志物的分析和篩選是疾病早期診斷的有力工具。到目前為止,已發現的與癌癥相關的生物標志物包括蛋白質(例如受體、癌癥抗原)和微RNA(miRNAs)等。拉曼編碼已經被用于檢測多種腫瘤標志物,例如AFP、HER2、PSA等,可以實現對腫瘤的早期診斷和治療。在這種應用中,使用編碼后的不同的拉曼標簽來標記不同的腫瘤標志物,通過檢測樣本中的拉曼信號來確定腫瘤標志物的存在和數量。這種方法具有高靈敏度和高特異性,并且可以在非侵入性的條件下進行,具有超高的多路復用能力。例如Zou等人[13]使用單分散SERS編碼的磁性納米球作為構建塊,開發了周期性SERS編碼磁珠(PSE-MBs)。當PSE-MBs在基于SERS的免疫測定中用作捕獲載體時,根據收集的SERS編碼信號,可以容易地識別SERS納米探針的多靶分析物和聚焦信號。因此,通過這種檢測方案可以方便地實現對多種目標分析物的可靠定量分析。他們還實際測試了包括AFP和CEA在內的兩種腫瘤生物標志物,多重檢測結果表明,PSE-MBs可以在基于SERS的多重生物測定中作為強大的捕獲載體,在實際臨床樣本分析中具有高靈敏度、高選擇性和可靠性。

與此同時,IgG的檢測對于確定感染性或免疫系統相關疾病也很重要。通常通過IgG與其特異性抗體之間的免疫識別來實現IgG的種類和濃度識別。例如Wang等人[16]制備了三種不同類型的SERS標記編碼微石英片(MQP)用于多重蛋白質檢測,將它們分別與小鼠IgG、兔IgG和人IgG結合,對其進行解碼后與標記的抗體種類一致,表明編碼后的MQP可以捕獲特異性抗體。

除了對生物標志物等的高通量檢測應用,拉曼光譜編碼在生物成像上的應用時近年來在生物醫學領域的一個熱點研究方向,可以實現活細胞的動態監測。相比傳統成像技術,如熒光成像、MRI等,拉曼成像技術具有非破壞性、無需染色、高分辨率等優勢,被廣泛應用于生物成像中,而引入拉曼編碼方法更是在具有上述優勢的同時還擁有超高的多路復用能力。Zhu等人[11]設計了一類富含三鍵的聚合物納米顆粒,為了證實拉曼活性聚合物的多路復用能力可以同時觀察活細胞中的多個亞細胞器,選擇了三種拉曼探針(ER-P1、Lyso-P3、CM-P8)對活MCF-7細胞中的細胞器進行共染色?；诨頜CF-7細胞中獨特拉曼光譜的顏色編碼,確定了每個亞細胞器的空間位置。此外,通過生物透射電子顯微鏡(在相關細胞器中直接檢測到細胞內聚合物,實現了高通量多色生物醫學成像。Su等[18]合成了等離子體編碼拉曼散射納米顆粒,命名為Au核-拉曼信號分子-Ag殼-Au殼納米顆粒(CMSS NPs)。單個CMSS NP在單細胞拉曼成像中表現出超高亮度、再現性、選擇性和生物相容性,可以用于單個癌癥細胞成像和識別,以及體內腫瘤成像。

總體而言,拉曼編碼技術由于其快速且可以實現高通量檢測等優勢,在生物醫學領域的應用前景非常廣闊,但目前仍然存在一些技術挑戰和限制,如信噪比、特異性等方面的問題。隨著技術的不斷發展和完善,相信拉曼編碼在生物醫學領域的應用將會更加成熟和廣泛。

2.2 拉曼光譜編碼在信息安全中的應用

除了在成像、生物分析檢測方面的應用,不少人也致力于研究拉曼編碼在信息領域的應用,如大容量的信息存儲、信息加密和防偽領域。

可以使用拉曼光譜來編碼信息并記錄到介質中,然后通過讀取編碼信息來恢復原始數據。這種方法可以實現高密度、快速和長期的數據存儲。對于大容量的信息存儲,一般使用拉曼位移和拉曼信號強度聯合編碼的方法實現,并常常與計算機編碼方式相結合使其更簡便且能存儲更多信息。例如Tang等人[19]使用拉曼靜默區的炔烴分子的強烈自發拉曼散射的方法,創建了4個光譜波段的多個炔類化合物庫。在每個波段中,每個單一化合物保持特定的拉曼位移,并允許使用與參考化合物以指定劑量混合的策略設計八進制碼單元。這種新方法在實驗上產生了迄今為止最大容量的不同光學條形碼。將ASCII和Unicode系統編碼為寫和讀語言的實驗表明,拉曼編碼方法為超大容量數據存儲提供了一種新的策略。

拉曼編碼還被廣泛應用于信息加密領域。由于拉曼光譜具有獨特的光學指紋特征和高度的靈敏性,因此可以用于編碼和解碼秘密信息。在拉曼編碼的基礎上,研究人員開發了許多不同的信息加密方法。例如在進行信息加密時可以通過拉曼位移和拉曼信號強度的雙重加密提高信息的安全性。Li等人[20]設計并開發出一種水溶性和可官能化的聚二炔類化合物聚4,6-二炔癸二酸(poly(deca-4,6-diynedioic acid),簡稱 PDDA,只需調整13C/12C-DDA共混物中13C-DDA的摩爾比,就能精確地將不同比例的13C同位素加入到PDDA主鏈中,對雙鍵的拉曼位移和三鍵(13C≡13C和12C≡12C)的拉曼信號強度比進行連續可控的調節。使用PDDA制備的墨水的固有顏色都是相同的黃色,肉眼無法分辨。并通過拉曼位移和拉曼強度雙重加密信息,提高了安全性。利用了拉曼光譜的獨特特性和高度靈敏性來實現信息的安全編碼和解碼,展示了拉曼編碼在信息加密領域的廣闊應用前景除了在信息存儲和加密方面的應用,大部分拉曼光譜編碼方法還用來制備防偽標簽。假冒是一個全球性的長期問題,它對從鈔票、貴重文件、藥品、奢侈品到普通消費品的各種產品造成了重大的負面影響,危及經濟、安全和人類健康等。近年來拉曼光譜由于其優異的綜合性能和更高的安全指數在防偽中的應用比例大大增加。通過將拉曼標簽添加到產品或包裝上,可以生成一個唯一的“指紋”,以防止產品被偽造或替代。將條形碼、二維碼等編碼技術與拉曼光譜編碼相結合,增大了拉曼防偽標簽解碼難度。例如Zhou等[17]將制備的SERS油墨應用于簽名防偽,所得光譜被轉換為條形碼,通過智能手機應用程序很容易檢測到條形碼,使SERS在簽名防偽方面的實際應用又近了一步。Yu等[12]使用墨水打印各種像素圖案,包括二維碼。因為墨水的物理外觀相同,肉眼看來并不能識別到其中的二維碼信息。通過拉曼解碼可以顯示其中的二維碼信息。此外,值得注意的是,因為二維碼本質上是由黑白兩色的像素點組合而成的 ,所以相同打印圖案使用不同的解碼方式可以得到完全相反的兩種不同類型的信息。通過將二維碼信息隱藏在肉眼不可分辨的圖案中,只有通過特定的解碼方式才能獲取正確的二維碼信息,增大了解碼難度,提高了防偽水平。

圖7 (A)拉曼編碼用于高容量信息存儲;(B)用于多維信息存儲和加密;(C)隱藏二維碼和字母等信息,可作為防偽標簽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 總結與展望

本文中我們介紹了拉曼編碼的主要原理、拉曼與熒光、條形碼和二維碼等聯合編碼的方法以及目前它們在不同領域的應用。

現階段拉曼光譜編碼的應用主要集中在生物醫學檢測成像及信息安全等方面。拉曼光譜編碼在生物醫學檢測的領域有巨大的應用前景,但目前仍舊停留在研究階段,距離實際的臨床應用還有很多問題需要解決。例如拉曼成像技術在大面積檢測與實時檢測的方面仍有欠缺,無法在較短時間內得到診斷結果。今后仍需致力于實現快速、實時的拉曼信號采集并且能夠在短時間內得到檢測結果。在信息安全領域的應用也存在如上所述的問題,除此之外例如防偽標簽等應用還要求能夠進行現場的驗證,目前的拉曼光譜儀體積相對較大且價格偏高,想要大范圍的實現現場檢測的需求仍有一段距離。

對于拉曼光譜來說,它可以獲取任何分子的獨特振動指紋峰,并且拉曼特征峰的帶寬很窄,理論上這使得拉曼光譜具有無限數量的光譜特征,同時能夠引入的拉曼強度和其他方法相結合的編碼方法使得它的編碼能力大大增強?？墒侨詴嬖谝恍﹩栴},比如當用到大量的分子進行編碼時難免會因為化學結構相似而導致無法通過拉曼位移將它們清晰的區分出來,或者需要更加復雜的制備方式來獲取拉曼信號分子,拉曼強度可能會存在不太穩定的情況,這些都限制了基于拉曼編碼方法的實際編碼能力。

目前仍需要致力于發掘制備更簡便、強度更穩定、應用范圍更廣的拉曼信號 分子,適當將拉曼編碼與其他方法相結合,獲取更高精度、容量更大的編碼方法。