Das Team entwickelt ein tragbares Swept-Source-Raman-Spektrometer für chemische und biomedizinische Anwendungen

Im Jahr 1928 entdeckten der indische Physiker Sir CV Raman und sein Kollege KS Krishnan, dass bei der Wechselwirkung von Licht mit Materie Teile des gestreuten Lichts aufgrund der Wechselwirkung mit molekularen Schwingungen Energieänderungen erfahren, was zu der sogenannten Raman-Streuung führt. Die Entdeckung legte den Grundstein für die Raman-Spektroskopie, eine Technik, die diese Energieänderungen nutzt, um einen einzigartigen Fingerabdruck der molekularen Struktur des Materials zu erstellen.

Derzeit ist die dispersive Raman-Spektroskopie die Methode der Wahl zur Identifizierung von Proben in verschiedenen Bereichen wie Materialwissenschaften, Pharmazie, Umweltüberwachung und Biomedizin. Allerdings sind die zur Erfassung und Detektion des Streulichts erforderlichen Spektrometer sperrig, was ihren Einsatz außerhalb von Laborumgebungen einschränkt. Darüber hinaus wurden die meisten tragbaren Raman-Spektrometer nur für die chemische Analyse entwickelt.

In einer Studie veröffentlicht im Zeitschrift für biomedizinische OptikForscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (Republik Korea) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT; Vereinigte Staaten) haben ein kompaktes Swept-Source-Raman-Spektroskopiesystem (SS-Raman) entwickelt.

Das SS-Raman-Konzept wurde in einem früheren Patent vorgeschlagen, die Umsetzung erfolgte jedoch aufgrund des Mangels an schmalen Bandpassfiltern erst vor kurzem. Dieses System ist in seiner Fähigkeit, sowohl chemische als auch biologische Materialien zu identifizieren, mit der konventionellen dispersiven Raman-Spektroskopie vergleichbar. Das tragbare System überwindet die Einschränkungen aktueller Handspektrometer und öffnet Türen für die Probenidentifizierung in der Biomedizin.

Herkömmliche Raman-Spektroskopiesysteme verwenden eine Lichtquelle mit fester Wellenlänge, beispielsweise einen Laser, um die Probe anzuregen und Raman-Streuung zu induzieren. Im Gegensatz dazu verwendet die SS-Raman-Spektroskopie einen Laser mit gewobbelter Quelle, der Licht über einen kontinuierlichen Wellenlängenbereich emittiert.

Das Anregungslicht wird auf die Probe fokussiert, nachdem es durch einen Kurzpassfilter gefiltert wurde, der Hintergrundrauschen eliminiert. Das Streulicht wird von einer Linse gesammelt und von einem Bandpassfilter gefiltert, der nur den gewünschten Raman-verschobenen Wellenlängenbereich isoliert. Das gefilterte Licht wird dann vom hochempfindlichen Silizium-Fotoempfänger erfasst, der das optische Signal zur Probenanalyse in ein elektrisches Signal umwandelt.

„Der vorgeschlagene SS-Raman-Aufbau verwendet einen Wellenlängen-Sweep-Source-Laser (822 bis 842 nm), einen schmalbandigen Bandpassfilter und einen hochempfindlichen Punktfotoempfänger zur Erfassung von Raman-Spektren. Diese Komponenten tragen zur Entwicklung kompakter und kostengünstiger Systeme bei. effektive Raman-Spektroskopiesysteme“, bemerkt Dr. Jeon Woong Kang vom MIT, einer der korrespondierenden Autoren der Studie.

Um die Wirksamkeit des Systems zu bewerten, verglichen die Forscher die Raman-Spektren des neuen Systems mit denen, die mit herkömmlicher dispersiver Raman-Spektroskopie für verschiedene chemische und biologische Proben erhalten wurden. Als chemische Proben zur Aufnahme von Raman-Spektren im Bereich von 900 bis 1.200 cm-1 wurden verschiedene Chemikalien wie Phenylalanin, Hydroxylapatit, Glucose und Paracetamol in Betracht gezogen.

Für die biologische Probe scannten sie Querschnitte von Schweinebauchscheiben. Die mit dem vorgeschlagenen SS-Raman-Spektroskopiesystem erhaltenen Raman-Spektren ähnelten stark denen der herkömmlichen dispersiven Raman-Spektroskopie mit Korrelationskoeffizienten im Bereich von 0,73 bis 0,91, was darauf hindeutet, dass sich beide Probentypen identifizieren lassen.

Insbesondere bei Raman-Spektroskopiesystemen entstehen erhebliche Kosten durch den Bedarf an hochwertigen Filtern und Lichtquellen. Das SS-System stand vor ähnlichen Herausforderungen, da Hintergrundrauschen und die Raman-Spektren aufgrund des Bandpassfilters breite Peaks aufwiesen.

Um die Kosten niedrig zu halten, wandten die Forscher eine Signalverarbeitungsmethode auf das System an. Gaußsche Filter wurden verwendet, um das durch die instabile Laserleistung verursachte Welligkeitsrauschen zu eliminieren. Um die Peaks in den Raman-Spektren zu schärfen und ihre Auflösung zu verbessern, wurde eine Entfaltungsmethode eingesetzt. Darüber hinaus wurde eine polynomielle Hintergrundentfernung eingesetzt, um das Hintergrundrauschen zu beseitigen, das aus der geringen optischen Dichte der Filter resultiert.

Insgesamt schafft das vorgeschlagene System die Grundlage für zukünftige Entwicklungen bei der Miniaturisierung der Raman-Spektroskopie sowohl für die chemische als auch für die biologische Analyse. Allerdings gibt es noch Raum für Verbesserungen, insbesondere bei der Verkürzung der Probenaufnahmezeit, die derzeit über 40 Sekunden beträgt. Um biologische Proben in weniger als einer Sekunde zu messen, entwickeln die Forscher ein Mehrkanal-SS-Raman-System mit mehreren Detektoren und Bandpassfiltern, das hoffentlich die Analyse eines größeren Spektrums von Molekülen in der gleichen Zeit für vielfältigere Anwendungen ermöglichen würde .