År 1928 upptäckte den indiske fysikern Sir C. V. Raman och hans kollega K. S. Krishnan att när ljus interagerar med materia, genomgår delar av det spridda ljuset förändringar i energi på grund av interaktion med molekylära vibrationer, vilket resulterar i vad som kallas Raman-spridning. Upptäckten lade grunden för Raman-spektroskopi, en teknik som drar fördel av dessa energiförändringar för att skapa ett unikt fingeravtryck av materialets molekylära struktur.
För närvarande är dispersiv Raman-spektroskopi den bästa metoden för att identifiera prover inom en mängd olika områden, såsom materialvetenskap, läkemedel, miljöövervakning och biomedicin. Spektrometrarna som krävs för att fånga och detektera det spridda ljuset är dock skrymmande, vilket begränsar deras användning utanför laboratoriemiljöer. Dessutom har de flesta handhållna Raman-spektrometrar endast utvecklats för kemisk analys.
I en studie publicerad i Journal of Biomedical Optics , har forskare från Korea Advanced Institute of Science and Technology (Republiken Korea) och Massachusetts Institute of Technology (MIT; USA) utvecklat ett kompakt Raman (SS-Raman) spektroskopisystem med svepkälla.
Konceptet med SS-Raman föreslogs i ett tidigare patent men implementeringen har inte gjorts förrän nyligen på grund av bristen på smala bandpassfilter. Detta system är jämförbart med konventionell dispersiv Raman-spektroskopi i dess förmåga att identifiera både kemiska och biologiska material. Det bärbara systemet tar itu med begränsningarna hos nuvarande handhållna spektrometrar och öppnar dörrar för providentifiering inom biomedicin.
Konventionella Raman-spektroskopisystem använder en ljuskälla med fast våglängd, såsom en laser, för att excitera provet och inducera Raman-spridning. Däremot använder SS-Raman-spektroskopi en laser med svepkälla, som avger ljus över ett kontinuerligt våglängdsområde.
Excitationsljuset fokuseras på provet efter filtrering genom ett kortpassfilter som eliminerar bakgrundsbrus. Det spridda ljuset samlas upp av en lins och filtreras av ett bandpassfilter, som endast isolerar det önskade Raman-förskjutna våglängdsområdet. Det filtrerade ljuset detekteras sedan av den mycket känsliga kiselfotomottagaren, som omvandlar den optiska signalen till en elektrisk signal för provanalys.
"Den föreslagna SS-Raman-uppsättningen använder en våglängdssvepad källlaser (822 till 842 nm), ett bandpassfilter med smal bandbredd och en mycket känslig punktfotomottagare för att få Raman-spektra. Dessa komponenter bidrar till utvecklingen av kompakta och kostnadseffektiva effektiva Raman-spektroskopisystem", konstaterar Dr. Jeon Woong Kang från MIT, en av motsvarande författare till studien.
För att utvärdera effektiviteten av systemet jämförde forskare Raman-spektra från det nya systemet med de som erhölls med traditionell dispersiv Raman-spektroskopi för olika kemiska och biologiska prover. En mångfald av kemikalier, såsom fenylalanin, hydroxiapatit, glukos och paracetamol ansågs vara kemiska prover för att erhålla Raman-spektra i intervallet 900 till 1 200 cm -1 .
För det biologiska provet skannade de tvärsnitt av svinbukskivor. Ramanspektra som erhölls från det föreslagna SS-Raman-spektroskopisystemet liknade mycket de som erhölls från traditionell dispersiv Raman-spektroskopi med korrelationskoefficienter från 0,73 till 0,91, vilket indikerar dess genomförbarhet för att identifiera båda typerna av prover.
Särskilt i Raman-spektroskopisystem kommer en betydande kostnad från behovet av högkvalitativa filter och ljuskällor. SS-systemet stod inför liknande utmaningar, med bakgrundsljud och Raman-spektra som visade breda toppar på grund av bandpassfiltret.
För att hålla kostnaderna låga tillämpade forskarna en signalbehandlingsmetod på systemet. Gaussiska filter användes för att eliminera rippelbruset som introducerades av den instabila laserutgången. En dekonvolutionsmetod användes för att skärpa topparna i Raman-spektra och förbättra deras upplösning. Dessutom användes polynombakgrundsborttagning för att eliminera bakgrundsbruset som härrör från filtrens låga optiska densitet.
Sammantaget sätter det föreslagna systemet scenen för framtida utvecklingar inom miniatyrisering av Raman-spektroskopi för både kemisk och biologisk analys. Det finns dock fortfarande utrymme för förbättringar, särskilt när det gäller att minska provtagningstiden, som för närvarande tar över 40 sekunder. För att mäta biologiska prover på mindre än en sekund utvecklar forskarna ett flerkanaligt SS-Raman-system utrustat med flera detektorer och bandpassfilter, vilket förhoppningsvis skulle möjliggöra analys av ett bredare spektrum av molekyler på samma tid för mer olika tillämpningar .
Mer information: Jeonggeun Song et al, Ramanspektroskopi av kemiska och biologiska material från Swept-source, Journal of Biomedical Optics (2024). DOI:10.1117/1.JBO.29.S2.S22703
Journalinformation: Journal of Biomedical Optics
Tillhandahålls av SPIE
