团队开发便携式扫描源拉曼光谱仪用于化学和生物医学应用

发布时间:2024-04-17 16:56:28

 

ss -拉曼光谱采用扫描源激光器,窄带宽带通滤波器(BPF)和高灵敏度点光电接收器进行样品识别。这些组件使开发具有成本效益的便携式拉曼光谱仪成为可能。资料来源:《生物医学光学杂志》(2024)。Doi: 10.1117/1.jbo.29.s2.s227031928年,印度物理学家c·v·拉曼爵士和他的同事k·s·克里希南发现,当光与物质相互作用时,部分散射光由于与分子振动的相互作用而发生能量变化,从而产生了所谓的拉曼散射。这一发现为拉曼光谱技术奠定了基础,该技术利用这些能量变化来创建材料分子结构的独特指纹。

 

目前,色散拉曼光谱是在材料科学、制药、环境监测和生物医学等各个领域识别样品的首选方法。然而,捕获和检测散射光所需的光谱仪体积庞大,限制了它们在实验室环境之外的使用。此外,大多数手持式拉曼光谱仪仅用于化学分析。

 

在《生物医学光学杂志》上发表的一项研究中,来自韩国科学技术院(大韩民国)和麻省理工学院(MIT;美国)开发了紧凑型扫源拉曼(SS-Raman)光谱系统。ss -拉曼的概念是在以前的专利中提出的,但由于缺乏窄带通滤波器,直到最近才实现。该系统在识别化学和生物材料的能力方面与传统的色散拉曼光谱相当。便携式系统解决了目前手持式光谱仪的局限性,为生物医学的样品鉴定打开了大门。

 

传统的拉曼光谱系统使用固定波长的光源,如激光,来激发样品并诱导拉曼散射。相反,ss -拉曼光谱使用扫描源激光器,它在连续的波长范围内发射光。激发光通过消除背景噪声的短通滤波器滤波后聚焦到样品上。散射光由透镜收集并由带通滤波器过滤,带通滤波器只隔离所需的拉曼位移波长范围。过滤后的光被高灵敏度的硅光接收器检测,该接收器将光信号转换为电信号用于样品分析。

 

“提出的ss -拉曼装置使用波长扫描源激光器(822至842 nm),窄带宽带通滤波器和高灵敏度点光电接收器来获取拉曼光谱。这些组件有助于开发紧凑且具有成本效益的拉曼光谱系统,”麻省理工学院的Jeon Woong Kang博士指出,他是该研究的通讯作者之一。为了评估该系统的有效性,研究人员将新系统的拉曼光谱与使用传统色散拉曼光谱获得的各种化学和生物样品的拉曼光谱进行了比较。用苯丙氨酸、羟基磷灰石、葡萄糖和对乙酰氨基酚等多种化学物质作为化学样品,获得了900 ~ 1200 cm-1范围内的拉曼光谱。

 

对于生物样本,他们扫描了猪腹部切片的横截面。SS-Raman光谱系统得到的拉曼光谱与传统色散拉曼光谱的拉曼光谱非常接近,相关系数在0.73 ~ 0.91之间,表明该系统可用于两种样品的识别。

 

值得注意的是,在拉曼光谱系统中,需要高质量的滤光片和光源,这是一笔巨大的费用。SS系统面临着类似的挑战,背景噪声和拉曼光谱由于带通滤波器而显示宽峰。

 

为了降低成本,研究人员在系统中应用了一种信号处理方法。采用高斯滤波器消除激光输出不稳定引起的纹波噪声。采用反卷积方法对拉曼光谱进行锐化处理,提高了光谱分辨率。此外,利用多项式背景去除技术消除了由于滤光片光密度低而产生的背景噪声。

 

 

总的来说,所提出的系统为化学和生物分析小型化拉曼光谱的未来发展奠定了基础。然而,仍有改进的空间,特别是在减少样本采集时间方面,目前需要40多秒。为了在不到一秒的时间内测量生物样本,研究人员正在开发一种配备了多个探测器和带通滤波器的多通道ss -拉曼系统,有望在相同的时间内分析更广泛的分子,用于更多样化的应用。

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