Attualmente, la spettroscopia Raman dispersiva è il metodo di riferimento per identificare i campioni in una varietà di campi, come le scienze dei materiali, i prodotti farmaceutici, il monitoraggio ambientale e la biomedicina. Tuttavia, gli spettrometri necessari per catturare e rilevare la luce diffusa sono ingombranti, il che ne limita l’uso al di fuori degli ambienti di laboratorio. Inoltre, la maggior parte degli spettrometri Raman portatili sono stati sviluppati solo per l'analisi chimica.

In uno studio pubblicato sul Journal of Biomedical Optics , i ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology (Repubblica di Corea) e del Massachusetts Institute of Technology (MIT, Stati Uniti) hanno sviluppato un sistema di spettroscopia Raman (SS-Raman) compatto con sorgente swept-source.

Il concetto di SS-Raman è stato proposto in un brevetto precedente ma l'implementazione non è stata effettuata fino a tempi recenti a causa della mancanza di filtri passa-banda stretti. Questo sistema è paragonabile alla spettroscopia Raman dispersiva convenzionale nella sua capacità di identificare sia materiali chimici che biologici. Il sistema portatile risolve i limiti degli attuali spettrometri portatili e apre le porte all'identificazione dei campioni in biomedicina.

I sistemi di spettroscopia Raman convenzionali utilizzano una sorgente luminosa a lunghezza d'onda fissa, come un laser, per eccitare il campione e indurre la diffusione Raman. Al contrario, la spettroscopia SS-Raman utilizza un laser a sorgente spazzata, che emette luce su una gamma continua di lunghezze d'onda.

La luce di eccitazione viene focalizzata sul campione dopo essere stato filtrato attraverso un filtro passa-corto che elimina il rumore di fondo. La luce diffusa viene raccolta da una lente e filtrata da un filtro passa-banda, che isola solo l'intervallo di lunghezze d'onda spostate Raman desiderato. La luce filtrata viene quindi rilevata dal fotoricevitore al silicio altamente sensibile, che converte il segnale ottico in un segnale elettrico per l'analisi del campione.

"La proposta configurazione SS-Raman utilizza un laser con sorgente a lunghezza d'onda (da 822 a 842 nm), un filtro passa-banda a larghezza di banda stretta e un fotoricevitore puntiforme altamente sensibile per l'acquisizione di spettri Raman. Questi componenti contribuiscono allo sviluppo di sistemi compatti ed economici efficaci sistemi di spettroscopia Raman", osserva il dottor Jeon Woong Kang del MIT, uno degli autori corrispondenti dello studio.

Per valutare l'efficacia del sistema, i ricercatori hanno confrontato gli spettri Raman del nuovo sistema con quelli ottenuti utilizzando la tradizionale spettroscopia Raman dispersiva per vari campioni chimici e biologici. Una vasta gamma di sostanze chimiche, come fenilalanina, idrossiapatite, glucosio e paracetamolo, sono state prese in considerazione come campioni chimici per ottenere spettri Raman nell'intervallo compreso tra 900 e 1.200 cm ^-1 .

Per il campione biologico, hanno scansionato sezioni trasversali di fette di pancia di suino. Gli spettri Raman ottenuti dal sistema di spettroscopia SS-Raman proposto somigliavano molto a quelli ottenuti dalla tradizionale spettroscopia Raman dispersiva con coefficienti di correlazione compresi tra 0,73 e 0,91, indicando la sua fattibilità per identificare entrambi i tipi di campioni.

In particolare, nei sistemi di spettroscopia Raman, una spesa significativa deriva dalla necessità di filtri e sorgenti luminose di alta qualità. Il sistema SS ha dovuto affrontare sfide simili, con il rumore di fondo e gli spettri Raman che mostravano ampi picchi a causa del filtro passa banda.

Per mantenere bassi i costi, i ricercatori hanno applicato al sistema un metodo di elaborazione del segnale. Sono stati utilizzati filtri gaussiani per eliminare il rumore di ripple introdotto dall'uscita instabile del laser. È stato utilizzato un metodo di deconvoluzione per rendere più nitidi i picchi negli spettri Raman e migliorarne la risoluzione. Inoltre, è stata utilizzata la rimozione dello sfondo polinomiale per eliminare il rumore di fondo derivante dalla bassa densità ottica dei filtri.

Nel complesso, il sistema proposto pone le basi per gli sviluppi futuri nella miniaturizzazione della spettroscopia Raman per analisi sia chimiche che biologiche. Tuttavia, c'è ancora spazio per miglioramenti, in particolare nel ridurre il tempo di acquisizione del campione, che attualmente richiede più di 40 secondi. Per misurare campioni biologici in meno di un secondo, i ricercatori stanno sviluppando un sistema SS-Raman multicanale dotato di più rilevatori e filtri passa banda, che si spera consentirebbe l’analisi di una gamma più ampia di molecole nello stesso lasso di tempo per applicazioni più diverse .