Team udvikler bærbart swept-source Raman-spektrometer til kemiske og biomedicinske applikationer

I 1928 opdagede den indiske fysiker Sir C. V. Raman og hans kollega K. S. Krishnan, at når lys interagerer med stof, undergår dele af det spredte lys ændringer i energi på grund af interaktion med molekylære vibrationer, hvilket resulterer i det, der er kendt som Raman-spredning. Opdagelsen lagde grundlaget for Raman-spektroskopi, en teknik, der udnytter disse energiændringer til at skabe et unikt fingeraftryk af materialets molekylære struktur.

I øjeblikket er dispersiv Raman-spektroskopi den bedste metode til at identificere prøver inden for en række forskellige områder, såsom materialevidenskab, lægemidler, miljøovervågning og biomedicin. Imidlertid er de spektrometre, der kræves til at fange og detektere det spredte lys, omfangsrige, hvilket begrænser deres brug uden for laboratorieindstillinger. Derudover er de fleste håndholdte Raman-spektrometre kun udviklet til kemisk analyse.

I en undersøgelse offentliggjort i Journal of Biomedical Optics , har forskere fra Korea Advanced Institute of Science and Technology (Republikken Korea) og Massachusetts Institute of Technology (MIT; USA) udviklet et kompakt Raman (SS-Raman) spektroskopisystem med swept source.

Konceptet med SS-Raman blev foreslået i et tidligere patent, men implementeringen er ikke blevet gennemført før for nylig på grund af manglen på smalle båndpasfiltre. Dette system kan sammenlignes med konventionel dispersiv Raman-spektroskopi i dets evne til at identificere både kemiske og biologiske materialer. Det bærbare system adresserer begrænsningerne ved nuværende håndholdte spektrometre og åbner døre til prøveidentifikation i biomedicin.

Konventionelle Raman-spektroskopisystemer bruger en lyskilde med fast bølgelængde, såsom en laser, til at excitere prøven og inducere Raman-spredning. I modsætning hertil anvender SS-Raman-spektroskopi en swept-source laser, som udsender lys over et kontinuerligt område af bølgelængder.

Excitationslyset fokuseres på prøven efter filtrering gennem et kortpasfilter, som eliminerer baggrundsstøj. Det spredte lys opsamles af en linse og filtreres af et båndpasfilter, som kun isolerer det ønskede Raman-forskudte bølgelængdeområde. Det filtrerede lys detekteres derefter af den meget følsomme siliciumfotomodtager, som konverterer det optiske signal til et elektrisk signal til prøveanalyse.

"Den foreslåede SS-Raman-opsætning anvender en bølgelængde-swept-source-laser (822 til 842 nm), et båndpasfilter med smal båndbredde og en meget følsom punkt-fotomodtager til at indhente Raman-spektre. Disse komponenter bidrager til udviklingen af ​​kompakte og pris- effektive Raman-spektroskopisystemer," bemærker Dr. Jeon Woong Kang fra MIT, en af ​​de tilsvarende forfattere af undersøgelsen.

For at evaluere effektiviteten af ​​systemet sammenlignede forskere Raman-spektre fra det nye system med dem, der blev opnået ved hjælp af traditionel dispersiv Raman-spektroskopi for forskellige kemiske og biologiske prøver. En bred vifte af kemikalier, såsom phenylalanin, hydroxyapatit, glucose og acetaminophen, blev betragtet som kemiske prøver til opnåelse af Raman-spektre i området fra 900 til 1.200 cm ^-1 .

Til den biologiske prøve scannede de tværsnit af svinemaveskiver. Raman-spektrene opnået fra det foreslåede SS-Raman-spektroskopisystem lignede dem, der blev opnået fra traditionel dispersiv Raman-spektroskopi med korrelationskoefficienter fra 0,73 til 0,91, hvilket indikerer dets gennemførlighed til at identificere begge typer prøver.

Især i Raman-spektroskopisystemer kommer en betydelig udgift fra behovet for højkvalitetsfiltre og lyskilder. SS-systemet stod over for lignende udfordringer, med baggrundsstøj og Raman-spektrene, der viste brede toppe på grund af båndpasfilteret.

For at holde omkostningerne lave anvendte forskerne en signalbehandlingsmetode på systemet. Gaussiske filtre blev brugt til at eliminere bølgestøjen, der blev indført af den ustabile laseroutput. En deconvolution-metode blev anvendt til at skærpe toppene i Raman-spektrene og forbedre deres opløsning. Ydermere blev polynomisk baggrundsfjernelse brugt til at eliminere baggrundsstøjen fra filtrenes lave optiske tæthed.

Samlet set sætter det foreslåede system scenen for fremtidige udviklinger inden for miniaturisering af Raman-spektroskopi til både kemisk og biologisk analyse. Der er dog stadig plads til forbedringer, især med hensyn til at reducere prøveindsamlingstiden, som i øjeblikket tager over 40 sekunder. For at måle biologiske prøver på mindre end et sekund udvikler forskerne et multikanal SS-Raman-system udstyret med flere detektorer og båndpasfiltre, som forhåbentlig vil muliggøre analyse af et bredere udvalg af molekyler på samme tid til mere forskelligartede anvendelser .

Flere oplysninger: Jeonggeun Song et al., Ramanspektroskopi af kemiske og biologiske materialer fra Swept-source, Journal of Biomedical Optics (2024). DOI:10.1117/1.JBO.29.S2.S22703

Journaloplysninger: Journal of Biomedical Optics

Leveret af SPIE