受激拉曼散射（SRS）显微术 [1] 是一种广泛使用的、基于相干拉曼散射的无标记化学成像技术。虽然自发拉曼效应是弱散射过程，对于单个视野来说可能需要数小时的信号积分时间，但SRS等相干散射方法提供了一种高速的、非破坏性、无标记的成像技术。锁相放大器可以通过相敏检测从嘈杂的背景中提取极弱的SRS信号，在SRS显微术中发挥着至关重要的作用。

理解受激拉曼散射（SRS）

基本原理

SRS技术使用两台同步脉冲激光器——泵浦激光和斯托克斯激光——以相干方式激发样品中的分子振动模式。当两束激光之间的频率差与目标样品的振动频率相匹配时，就会发生SRS过程，此时泵浦光失去光子，这一现象被称为受激拉曼损失（SRL），而斯托克斯光获得光子。泵浦光的强度损失非常小，为了克服这一问题，需要一种高频调制和相敏检测技术来帮助从嘈杂的背景中成功提取这些微弱的信号。

研究人员可以通过使用多通道SRS锁相放大器来进一步提升检测能力。引入第三束激光并结合锁相放大器使得能够同时成像不同的光谱区域（图1），这对于活细胞成像和其他时间敏感的实验特别有用。

图1：小鼠脑切片的同时双通道SRS图像（左侧为脂质图像，对应2850 cm-1；右侧为蛋白质图像，对应2930 cm-1）。数据由Prof. Dan Fu研究团队提供。

锁相放大器在SRS中的应用原理

锁相放大器在SRS成像中特别适用，因为它允许研究人员放大特定调制频率的信号，即泵浦光或斯托克斯光的调制频率。结合出色的正交解调技术，可以进一步提高测量信号幅度和相位的灵敏度。用于SRS的锁相放大器还应包含数字滤波器来过滤噪声并衰减不需要的信号，以此增强测量的信噪比。

SRS锁相放大器具备的功能：

（1）调制传输检测：在 SRS 显微术中，泵浦光或斯托克斯光被高频调制，SRS锁相放大器检测到因SRS过程导致的调制传递到另一束光的现象，这对于提取弱信号的变化至关重要。

（2）双通道检测：Moku的多仪器并行模式允许用户部署多个锁相放大器，实现对来自不同光探测器的信号的同时解调而无需增加额外硬件。这对于涉及多个拉曼波段或使用不同分子振动模式成像的实验非常有帮助。

（3）相敏检测：具有双相位解调能力的 SRS 锁相放大器可以检测信号的相移，进而帮助区分 SRS 信号和其他噪声成分。

（4）信号增强：锁相放大器能够滤除不需要的频率并放大感兴趣的信号，即使它可能比背景噪声弱几个数量级。

（5）实验的灵活性：通过配置内部或外部的局部振荡器源，研究人员可以使锁相放大器适应各种实验设置和要求。例如，Moku 锁相放大器基于可重配置的 FPGA，允许用户轻松部署多达 12 种其他Moku内置的仪器。

SRS锁相放大器实验设置

如何将锁相放大器集成到您的SRS系统中

1.设置激光系统：泵浦光和斯托克斯光需要在时间和空间上重合才能激发SRS，且两束光的能量差应与要测量的拉曼频移相匹配。

2.调制光束：您可以调制泵浦或斯托克斯光中的任一个。例如，若调制泵浦光，SRS 过程将引起斯托克斯光强度增加，您可以在滤光片滤掉泵浦光后检测到这种变化，称为受激拉曼增益（SRG）检测。

3.在Moku多仪器并行模式中配置锁相放大器：这允许您部署多个锁相放大器进行同时检测。这对需要多个拉曼波段成像或使用多个光探测器的情况十分有用。

4.优化实验：在Moku 锁相放大器界面中调整相位差并优化信号。您可以最大化与感兴趣的拉曼频移相对应的信号，并最小化其正交信号以提高信噪比。

图2：Moku锁相放大器输入端的阻抗和交流耦合设置

5.利用Moku内置的示波器和数据记录仪来监控信号，并记录数据进行进一步的分析和处理。

Moku锁相放大器的应用案例

华盛顿大学Prof. Dan Fu团队的SRS显微成像研究

华盛顿大学Prof. Dan Fu团队的研究人员使用Moku:Pro 锁相放大器来进行SRS生物样品的定量化学分析及成像，提供了有价值的光谱信息和代谢产物空间分部信息。了解更多信息，请查看此链接。

波士顿大学Prof. Ji-Xin Cheng团队的SRS显微成像研究

波士顿大学Prof. Ji-Xin Cheng团队的研究人员使用Moku:Lab 锁相放大器进行SRS高灵敏度成像实验。由于SRS过程中泵浦光的光强损失非常低，他们使用了高频调制和相敏检测来从嘈杂的背景中提取出SRS信号。请查看此链接获取更多信息。

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基于FPGA开发的Moku测试测量平台，一台设备集成了13种以上的测控仪器功能，从频谱分析仪等测试基础设备到锁相放大器等专业仪器功能。通过多仪器模式，用户可以将最多四种仪器功能组合在一起，实现无损互联并同时运行。

参考文献

[1] Freudiger, C. W., Min, W., Saar, B. G., Lu, S., Holtom, G. R., He, C., ... & Xie, X. S. (2008). Label-free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy. Science, 322(5909), 1857-1861.