En 1928, le physicien indien Sir CV Raman et son collègue KS Krishnan ont découvert que lorsque la lumière interagit avec la matière, des parties de la lumière diffusée subissent des changements d’énergie en raison de l’interaction avec les vibrations moléculaires, ce qui entraîne ce que l’on appelle la diffusion Raman. Cette découverte a jeté les bases de la spectroscopie Raman, une technique qui tire parti de ces changements d’énergie pour créer une empreinte unique de la structure moléculaire du matériau.
Actuellement, la spectroscopie Raman dispersive est la méthode incontournable pour identifier des échantillons dans divers domaines, tels que les sciences des matériaux, les produits pharmaceutiques, la surveillance environnementale et la biomédecine. Cependant, les spectromètres nécessaires pour capturer et détecter la lumière diffusée sont volumineux, ce qui limite leur utilisation en dehors des laboratoires. De plus, la plupart des spectromètres Raman portables ont été développés uniquement pour l’analyse chimique.
Dans une étude publié dans le Journal d’optique biomédicaledes chercheurs du Korea Advanced Institute of Science and Technology (République de Corée) et du Massachusetts Institute of Technology (MIT ; États-Unis) ont développé un système compact de spectroscopie Raman à source balayée (SS-Raman).
Le concept de SS-Raman a été proposé dans un brevet précédent, mais sa mise en œuvre n’a été réalisée que récemment en raison du manque de filtres passe-bande étroits. Ce système est comparable à la spectroscopie Raman dispersive conventionnelle dans sa capacité à identifier à la fois les matériaux chimiques et biologiques. Le système portable répond aux limites des spectromètres portables actuels et ouvre la porte à l’identification des échantillons en biomédecine.
Les systèmes de spectroscopie Raman conventionnels utilisent une source de lumière à longueur d’onde fixe, telle qu’un laser, pour exciter l’échantillon et induire une diffusion Raman. En revanche, la spectroscopie SS-Raman utilise un laser à source balayée, qui émet de la lumière sur une gamme continue de longueurs d’onde.
La lumière d’excitation est focalisée sur l’échantillon après filtrage à travers un filtre passe-court qui élimine le bruit de fond. La lumière diffusée est collectée par une lentille et filtrée par un filtre passe-bande, qui isole uniquement la plage de longueurs d’onde décalée Raman souhaitée. La lumière filtrée est ensuite détectée par le photorécepteur en silicium hautement sensible, qui convertit le signal optique en signal électrique pour l’analyse des échantillons.
« La configuration SS-Raman proposée utilise un laser source à balayage de longueur d’onde (822 à 842 nm), un filtre passe-bande à bande étroite et un photorécepteur ponctuel très sensible pour l’acquisition de spectres Raman. Ces composants contribuent au développement de systèmes compacts et économiques. systèmes de spectroscopie Raman efficaces », note le Dr Jeon Woong Kang du MIT, l’un des auteurs correspondants de l’étude.
Pour évaluer l’efficacité du système, les chercheurs ont comparé les spectres Raman du nouveau système avec ceux obtenus à l’aide de la spectroscopie Raman dispersive traditionnelle pour divers échantillons chimiques et biologiques. Un large éventail de produits chimiques, tels que la phénylalanine, l’hydroxyapatite, le glucose et l’acétaminophène, ont été considérés comme des échantillons chimiques permettant d’obtenir des spectres Raman compris entre 900 et 1 200 cm-1.
Pour l’échantillon biologique, ils ont scanné des coupes transversales de tranches de ventre de porc. Les spectres Raman obtenus à partir du système de spectroscopie SS-Raman proposé ressemblaient beaucoup à ceux obtenus à partir de la spectroscopie Raman dispersive traditionnelle avec des coefficients de corrélation allant de 0,73 à 0,91, indiquant sa faisabilité pour identifier les deux types d’échantillons.
Notamment, dans les systèmes de spectroscopie Raman, une dépense importante provient du besoin de filtres et de sources lumineuses de haute qualité. Le système SS a été confronté à des défis similaires, le bruit de fond et le spectre Raman affichant de larges pics dus au filtre passe-bande.
Pour maintenir les coûts à un niveau bas, les chercheurs ont appliqué une méthode de traitement du signal au système. Des filtres gaussiens ont été utilisés pour éliminer le bruit d’ondulation introduit par la sortie laser instable. Une méthode de déconvolution a été utilisée pour affiner les pics des spectres Raman et améliorer leur résolution. De plus, la suppression polynomiale de l’arrière-plan a été utilisée pour éliminer le bruit de fond résultant de la faible densité optique des filtres.
Dans l’ensemble, le système proposé ouvre la voie aux développements futurs dans la miniaturisation de la spectroscopie Raman pour l’analyse chimique et biologique. Des progrès restent néanmoins possibles, notamment en réduisant le temps d’acquisition des échantillons, qui dépasse actuellement 40 secondes. Pour mesurer des échantillons biologiques en moins d’une seconde, les chercheurs développent un système SS-Raman multicanal équipé de plusieurs détecteurs et filtres passe-bande, qui, espérons-le, permettraient l’analyse d’une plus large gamme de molécules dans le même laps de temps pour des applications plus diverses. .
Plus d’information:
Jeonggeun Song et al, Spectroscopie Raman à source balayée de matériaux chimiques et biologiques, Journal d’optique biomédicale (2024). DOI : 10.1117/1.JBO.29.S2.S22703