Wetenschap
Team ontwikkelt draagbare Raman-spectrometer voor chemische en biomedische toepassingen
In 1928 ontdekten de Indiase natuurkundige Sir CV Raman en zijn collega K. S. Krishnan dat wanneer licht interageert met materie, delen van het verstrooide licht veranderingen in energie ondergaan als gevolg van interactie met moleculaire trillingen, wat resulteert in wat bekend staat als Raman-verstrooiing. De ontdekking legde de basis voor Raman-spectroscopie, een techniek die gebruik maakt van deze energieveranderingen om een unieke vingerafdruk te creëren van de moleculaire structuur van het materiaal.
Momenteel is dispersieve Raman-spectroscopie de beste methode voor het identificeren van monsters op verschillende gebieden, zoals materiaalwetenschappen, farmaceutische producten, milieumonitoring en biogeneeskunde. De spectrometers die nodig zijn om het verstrooide licht op te vangen en te detecteren zijn echter omvangrijk, waardoor het gebruik ervan buiten laboratoriumomgevingen wordt beperkt. Bovendien zijn de meeste draagbare Raman-spectrometers alleen ontwikkeld voor chemische analyse.
In een onderzoek gepubliceerd in het Journal of Biomedical Optics hebben onderzoekers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (Republiek Korea) en het Massachusetts Institute of Technology (MIT; Verenigde Staten) een compact Raman (SS-Raman) spectroscopiesysteem ontwikkeld.
Het concept van SS-Raman werd voorgesteld in een eerder patent, maar de implementatie ervan is tot voor kort pas uitgevoerd vanwege het ontbreken van smalle banddoorlaatfilters. Dit systeem is vergelijkbaar met conventionele dispersieve Raman-spectroscopie wat betreft zijn vermogen om zowel chemische als biologische materialen te identificeren. Het draagbare systeem pakt de beperkingen van de huidige draagbare spectrometers aan en opent deuren voor monsteridentificatie in de biogeneeskunde.
Conventionele Raman-spectroscopiesystemen gebruiken een lichtbron met een vaste golflengte, zoals een laser, om het monster te exciteren en Raman-verstrooiing te induceren. SS-Raman-spectroscopie maakt daarentegen gebruik van een laser met sweep-source, die licht uitzendt over een continu golflengtebereik.
Het excitatielicht wordt op het monster gefocusseerd na filtering door een kortdoorlaatfilter dat achtergrondruis elimineert. Het verstrooide licht wordt opgevangen door een lens en gefilterd door een banddoorlaatfilter, dat alleen het gewenste Raman-verschoven golflengtebereik isoleert. Het gefilterde licht wordt vervolgens gedetecteerd door de zeer gevoelige silicium fotoontvanger, die het optische signaal omzet in een elektrisch signaal voor monsteranalyse.
"De voorgestelde SS-Raman-opstelling maakt gebruik van een golflengte-sweep-source-laser (822 tot 842 nm), een banddoorlaatfilter met smalle bandbreedte en een zeer gevoelige puntfoto-ontvanger voor het verwerven van Raman-spectra. Deze componenten dragen bij aan de ontwikkeling van compacte en kostenefficiënte effectieve Raman-spectroscopiesystemen”, merkt Dr. Jeon Woong Kang van MIT op, een van de corresponderende auteurs van het onderzoek.
Om de effectiviteit van het systeem te evalueren, vergeleken onderzoekers Raman-spectra van het nieuwe systeem met die verkregen met behulp van traditionele dispersieve Raman-spectroscopie voor verschillende chemische en biologische monsters. Een breed scala aan chemicaliën, zoals fenylalanine, hydroxyapatiet, glucose en paracetamol, werd beschouwd als chemische monsters voor het verkrijgen van Raman-spectra in het bereik van 900 tot 1200 cm -1 .
Voor het biologische monster scanden ze dwarsdoorsneden van plakjes varkensbuik. De Raman-spectra verkregen uit het voorgestelde SS-Raman-spectroscopiesysteem leken sterk op die verkregen uit traditionele dispersieve Raman-spectroscopie met correlatiecoëfficiënten variërend van 0,73 tot 0,91, wat aangeeft dat het haalbaar is om beide soorten monsters te identificeren.
Met name bij Raman-spectroscopiesystemen komen aanzienlijke kosten voort uit de behoefte aan filters en lichtbronnen van hoge kwaliteit. Het SS-systeem stond voor soortgelijke uitdagingen, waarbij achtergrondruis en de Raman-spectra brede pieken vertoonden vanwege het banddoorlaatfilter.
Om de kosten laag te houden, pasten de onderzoekers een signaalverwerkingsmethode toe op het systeem. Er werden Gaussiaanse filters gebruikt om de rimpelruis te elimineren die werd veroorzaakt door de onstabiele laseruitvoer. Er werd een deconvolutiemethode gebruikt om de pieken in de Raman-spectra scherper te maken en hun resolutie te verbeteren. Bovendien werd polynomiale achtergrondverwijdering gebruikt om de achtergrondruis te elimineren die voortkomt uit de lage optische dichtheid van de filters.
Over het geheel genomen vormt het voorgestelde systeem de weg vrij voor toekomstige ontwikkelingen in het miniaturiseren van Raman-spectroscopie voor zowel chemische als biologische analyse. Er is echter nog steeds ruimte voor verbetering, vooral als het gaat om het verkorten van de monsterverwervingstijd, die momenteel meer dan 40 seconden duurt. Om biologische monsters in minder dan een seconde te meten, ontwikkelen de onderzoekers een meerkanaals SS-Raman-systeem uitgerust met meerdere detectoren en banddoorlaatfilters, wat hopelijk de analyse van een breder scala aan moleculen in dezelfde hoeveelheid tijd mogelijk zou maken voor meer uiteenlopende toepassingen. .