Kimyasal ve Biyomedikal Uygulamalar İçin Taşınabilir Taranmış Kaynaklı Raman Spektrometresi (SS-Raman) Geliştirildi
1928’de Hintli fizikçi Sir CV Raman ve meslektaşı KS Krishnan, ışık maddeyle etkileşime girdiğinde, dağınık ışığın bazı kısımlarının moleküler titreşimlerle etkileşime bağlı olarak enerjide değişikliklere uğradığını ve bunun Raman saçılması olarak bilinen olayla sonuçlandığını keşfettiler. Keşif, malzemenin moleküler yapısının benzersiz bir parmak izini oluşturmak için bu enerji değişikliklerinden yararlanan bir teknik olan Raman spektroskopisinin temelini attı.
SS-Raman spektroskopisi, numune tanımlama için taranmış kaynaklı bir lazer, dar bant genişlikli bir bant geçiren filtre (BPF) ve oldukça hassas bir nokta foto alıcısı kullanır. Bu bileşenler uygun maliyetli taşınabilir Raman spektrometrelerinin geliştirilmesine olanak sağlar. Kredi: Song ve diğerleri, doi 10.1117/1.JBO.29.S2.S22703
Şu anda dispersif Raman spektroskopisi, malzeme bilimleri, farmasötikler, çevresel izleme ve biyotıp gibi çeşitli alanlardaki numunelerin tanımlanmasında başvurulan yöntemdir. Bununla birlikte, dağınık ışığı yakalamak ve tespit etmek için gereken spektrometreler hantaldır ve bu da laboratuvar ortamları dışında kullanımlarını sınırlamaktadır. Ek olarak, çoğu el tipi Raman spektrometresi yalnızca kimyasal analiz için geliştirilmiştir.
Journal of Biomedical Optics dergisinde yayınlanan bir çalışmada , Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (Kore Cumhuriyeti) ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden (MIT; Amerika Birleşik Devletleri) araştırmacılar, kompakt bir taranmış kaynaklı Raman (SS-Raman Spektroskopi Sistemi) geliştirdiler. SS-Raman kavramı daha önceki bir patentte (US9662047B2) önerilmişti ancak dar bant geçiren filtrelerin bulunmamasından dolayı yakın zamana kadar uygulama yapılmamıştı. Bu sistem, hem kimyasal hem de biyolojik malzemeleri tanımlama yeteneği açısından geleneksel dağılımlı Raman spektroskopisiyle karşılaştırılabilir.
Taşınabilir sistem, mevcut el tipi spektrometrelerin sınırlamalarını gidermekte ve biyotıpta numune tanımlama için yeni kapılar açmaktadır.
Geleneksel Raman spektroskopi sistemleri, numuneyi uyarmak ve Raman saçılımını tetiklemek için lazer gibi sabit dalga boylu bir ışık kaynağı kullanır. Buna karşılık, SS-Raman spektroskopisi, sürekli bir dalga boyu aralığında ışık yayan, süpürülmüş kaynaklı bir lazer kullanır. Uyarma ışığı, arka plandaki gürültüyü ortadan kaldıran kısa geçişli bir filtre aracılığıyla filtrelendikten sonra numuneye odaklanır. Saçılan ışık bir mercek tarafından toplanır ve yalnızca istenen Raman kaydırmalı dalga boyu aralığını izole eden bir bant geçiren filtre tarafından filtrelenir. Filtrelenen ışık daha sonra, optik sinyali örnek analizi için bir elektrik sinyaline dönüştüren son derece hassas silikon fotoalıcı tarafından tespit edilir.
Çalışmanın yazarlarından biri olan MIT’den Dr. Jeon Woong Kang bir konuşmasında “Önerilen SS-Raman kurulumu, Raman spektrumlarını elde etmek için dalga boyu taramalı kaynaklı bir lazer (822 ila 842 nm), dar bant genişlikli bir bant geçiren filtre ve oldukça hassas bir nokta foto alıcısı kullanıyor. Bu bileşenler kompakt ve uygun maliyetli Raman spektroskopi sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunuyor” diye belirtiyor.
Sistemin etkinliğini değerlendirmek için araştırmacılar, yeni sistemdeki Raman spektrumlarını çeşitli kimyasal ve biyolojik numuneler için geleneksel dağılımlı Raman spektroskopisi kullanılarak elde edilenlerle karşılaştırdılar. Fenilalanin, hidroksiapatit, glikoz ve asetaminofen gibi çeşitli kimyasallar, 900 ila 1200 cm – 1 aralığında Raman spektrumlarının elde edilmesi için kimyasal numuneler olarak kabul edildi.
Biyolojik örnek için domuz göbeği dilimlerinin kesitlerini taradılar. Önerilen SS-Raman spektroskopi sisteminden elde edilen Raman spektrumları, 0,73 ile 0,91 arasında değişen korelasyon katsayılarıyla geleneksel dağılımlı Raman spektroskopisinden elde edilenlere çok benziyordu. Bu, her iki numune tipini tanımlamanın fizibilitesini gösterir.
Özellikle Raman spektroskopi sistemlerinde yüksek kaliteli filtrelere ve ışık kaynaklarına duyulan ihtiyaçtan önemli bir masraf çıkmaktadır. SS sistemi de arka plan gürültüsü ve bant geçiren filtre nedeniyle Raman spektrumunun geniş tepe noktaları göstermesi nedeniyle benzer zorluklarla karşılaştı.
Maliyetleri düşük tutmak için araştırmacılar sisteme bir sinyal işleme yöntemi uyguladılar. Kararsız lazer çıkışının neden olduğu dalgalanma gürültüsünü ortadan kaldırmak için Gauss filtreleri kullanıldı. Raman spektrumundaki tepe noktalarını keskinleştirmek ve çözünürlüklerini iyileştirmek için bir ters evrişim yöntemi kullanıldı. Ayrıca, filtrelerin düşük optik yoğunluğundan kaynaklanan arka plan gürültüsünü ortadan kaldırmak için polinom arka plan kaldırma işleminden yararlanılmıştır.
Genel olarak önerilen sistem, hem kimyasal hem de biyolojik analiz için Raman spektroskopisinin minyatürleştirilmesinde gelecekteki gelişmelere zemin hazırlıyor. Bununla birlikte, özellikle şu anda 40 saniyenin üzerinde süren numune alma süresinin azaltılması konusunda hala iyileştirmeler yapılabilir. Biyolojik numuneleri bir saniyeden daha kısa sürede ölçmek için araştırmacılar, birden fazla dedektör ve bant geçiren filtreyle donatılmış çok kanallı bir SS-Raman sistemi geliştiriyorlar; bu sistemin, daha çeşitli uygulamalar için aynı sürede daha geniş bir molekül yelpazesinin analizine olanak sağlayacağını umuyoruz!
Haber Kaynağı: spie.org/news/portable-swept-source-raman-spectrometer-for-chemical-and-biomedical-applications
