Equipe desenvolve espectrômetro Raman portátil de fonte varrida para aplicações químicas e biomédicas
A espectroscopia SS-Raman emprega um laser de fonte varrida, um filtro passa-banda de largura de banda estreita (BPF) e um fotorreceptor pontual altamente sensível para identificação da amostra. Esses componentes permitem o desenvolvimento de espectrômetros Raman portáteis econômicos. Crédito:Journal of Biomedical Optics (2024). DOI:10.1117/1.JBO.29.S2.S22703 Em 1928, o físico indiano Sir C. V. Raman e seu colega K. S. Krishnan descobriram que quando a luz interage com a matéria, partes da luz espalhada sofrem mudanças na energia devido à interação com vibrações moleculares, resultando no que é conhecido como espalhamento Raman. A descoberta lançou as bases para a espectroscopia Raman, uma técnica que aproveita essas mudanças de energia para criar uma impressão digital única da estrutura molecular do material.
Atualmente, a espectroscopia Raman dispersiva é o método ideal para identificar amostras em diversos campos, como ciências de materiais, produtos farmacêuticos, monitoramento ambiental e biomedicina. No entanto, os espectrômetros necessários para capturar e detectar a luz espalhada são volumosos, limitando seu uso fora dos ambientes laboratoriais. Além disso, a maioria dos espectrômetros Raman portáteis foram desenvolvidos apenas para análises químicas.
Em um estudo publicado no Journal of Biomedical Optics , pesquisadores do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (República da Coreia) e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT; Estados Unidos) desenvolveram um sistema compacto de espectroscopia Raman de fonte varrida (SS-Raman).
O conceito de SS-Raman foi proposto numa patente anterior, mas a implementação não foi feita até recentemente devido à falta de filtros passa-banda estreitos. Este sistema é comparável à espectroscopia Raman dispersiva convencional em sua capacidade de identificar materiais químicos e biológicos. O sistema portátil aborda as limitações dos espectrômetros portáteis atuais e abre portas para a identificação de amostras em biomedicina.
Os sistemas convencionais de espectroscopia Raman usam uma fonte de luz de comprimento de onda fixo, como um laser, para excitar a amostra e induzir a dispersão Raman. Em contraste, a espectroscopia SS-Raman utiliza um laser de fonte varrida, que emite luz numa gama contínua de comprimentos de onda.
A luz de excitação é focada na amostra após ser filtrada através de um filtro de passagem curta que elimina o ruído de fundo. A luz espalhada é coletada por uma lente e filtrada por um filtro passa-banda, que isola apenas a faixa desejada de comprimento de onda com desvio Raman. A luz filtrada é então detectada pelo fotorreceptor de silício altamente sensível, que converte o sinal óptico em um sinal elétrico para análise da amostra.
"A configuração SS-Raman proposta usa um laser de fonte com varredura de comprimento de onda (822 a 842 nm), um filtro passa-banda de largura de banda estreita e um fotorreceptor pontual altamente sensível para adquirir espectros Raman. Esses componentes contribuem para o desenvolvimento de espectros compactos e de baixo custo. sistemas eficazes de espectroscopia Raman", observa o Dr. Jeon Woong Kang do MIT, um dos autores correspondentes do estudo.
Para avaliar a eficácia do sistema, os pesquisadores compararam os espectros Raman do novo sistema com aqueles obtidos usando a espectroscopia Raman dispersiva tradicional para várias amostras químicas e biológicas. Uma gama diversificada de produtos químicos, como fenilalanina, hidroxiapatita, glicose e paracetamol, foram considerados como amostras químicas para obtenção de espectros Raman na faixa de 900 a 1.200 cm
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Para a amostra biológica, eles escanearam seções transversais de fatias de barriga de porco. Os espectros Raman obtidos a partir do sistema de espectroscopia SS-Raman proposto assemelharam-se muito aos obtidos a partir da espectroscopia Raman dispersiva tradicional, com coeficientes de correlação variando de 0,73 a 0,91, indicando sua viabilidade para identificação de ambos os tipos de amostras.
Notavelmente, em sistemas de espectroscopia Raman, uma despesa significativa vem da necessidade de filtros e fontes de luz de alta qualidade. O sistema SS enfrentou desafios semelhantes, com ruído de fundo e espectros Raman exibindo picos amplos devido ao filtro passa-banda.
Para manter os custos baixos, os pesquisadores aplicaram um método de processamento de sinal ao sistema. Filtros gaussianos foram usados para eliminar o ruído ondulado introduzido pela saída instável do laser. Um método de desconvolução foi empregado para aguçar os picos nos espectros Raman e melhorar sua resolução. Além disso, a remoção de fundo polinomial foi utilizada para eliminar o ruído de fundo decorrente da baixa densidade óptica dos filtros.
No geral, o sistema proposto prepara o terreno para desenvolvimentos futuros na miniaturização da espectroscopia Raman para análises químicas e biológicas. No entanto, ainda há espaço para melhorias, principalmente na redução do tempo de aquisição de amostras, que atualmente leva mais de 40 segundos. Para medir amostras biológicas em menos de um segundo, os pesquisadores estão desenvolvendo um sistema SS-Raman multicanal equipado com múltiplos detectores e filtros passa-banda, o que permitiria a análise de uma gama mais ampla de moléculas no mesmo período de tempo para aplicações mais diversas. .
