طراحی نوری برای موچین های لیزری تنظیمات طیف سنجی رامان برای افزایش سن

خلاصه

ما روشی را برای دو برابر کردن راندمان جمع‌آوری در انبرک لیزری، طیف‌سنجی رامان (LTRS) با جمع‌آوری نور پراکنده و عقب پراکنده در یک اندازه‌گیری چند مسیری تک شات نشان می‌دهیم. روش ما می‌تواند سیگنال‌ها را در حجم‌های نمونه مختلف جمع‌آوری کند، و هم انتخاب مکانی دقیق طیف‌سنجی رامان کانونی و هم حساسیت عمده طیف‌سنجی رامان غیرهم کانونی را به طور همزمان اعطا کند. علاوه بر این، نشان می‌دهیم که رویکرد ما به کاهش زمان ادغام آشکارساز و قدرت لیزر اجازه می‌دهد. برای نشان دادن این موضوع، طیف رامان دانه‌های پلی استایرن و اسپورهای باکتری را اندازه‌گیری می‌کنیم. برای اسپورها، می‌توانیم آن‌ها را با توان لیزر 2.5 میلی‌واتی به دام بیندازیم و با استفاده از زمان ادغام 2×30 ثانیه، طیف قدرت نسبت سیگنال به نویز بالای پیک‌های اسید کلسیم-دی‌پیکولینیک را بدست آوریم. بنابراین، روش ما نظارت بر نمونه های بیولوژیکی حساس به شدت های بالا را برای زمان های طولانی تری امکان پذیر می کند. علاوه بر این، نشان می‌دهیم که با یک اصلاح ساده، می‌توانیم حساسیت قطبش را اضافه کنیم و اطلاعات بیوشیمیایی اضافی را بازیابی کنیم.  1. مقدمه

موچین لیزری طیف‌سنجی رامان (LTRS) یک تکنیک قدرتمند است که قابلیت‌های دستکاری موچین‌های نوری و انگشت نگاری بیوشیمیایی طیف‌سنجی رامان را ترکیب می‌کند [1،2]. LTRS برای مطالعه بسیاری از سیستم های بیولوژیکی، به عنوان مثال، باکتری ها، سلول ها و هاگ ها استفاده شده است. به طور خاص، LTRS برای ارزیابی سینتیک جوانه‌زنی، غیرفعال‌سازی هاگ [3،4]، و وضعیت‌های اکسیژن‌رسانی گلبول‌های قرمز خون و تعامل با نانوذرات نقره استفاده شده است [5،6]. با این حال، پراکندگی خود به خودی رامان فرآیند ضعیفی است، زیرا از هر 10 میلیون فوتون برانگیختگی فقط 1 به این روش پراکنده می شود. با ترکیب این با پراکندگی ضعیف ذاتی بسیاری از مواد بیولوژیکی [7]، ما به زمان‌های ادغام طولانی [8] یا قدرت‌های تحریک بالا [9] نیاز داریم تا طیف‌های رامان واضح را بدست آوریم. با این حال، هر دوی این راه حل ها عوارض جانبی نامطلوبی دارند. زمان‌های ادغام طولانی باعث می‌شود که وضوح زمانی با مشکل مواجه شود و بررسی فرآیندهای سریع غیرممکن شود. علاوه بر این، افزایش قدرت تحریک، میزان آسیب نوری را به صورت خطی افزایش می‌دهد، به این معنی که دوبرابر کردن توان، حداکثر زمان اندازه‌گیری را به نصف کاهش می‌دهد [10].

ما می‌توانیم با دور شدن از پراکندگی خود به خود رامان به تکنیک‌های حساس‌تر رامان مانند طیف‌سنجی رامان ضد استوکس منسجم (CARS) یا طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی (SERS)، که حساسیت را با چندین مرتبه قدر بهبود می‌بخشد، از این مشکلات جلوگیری کنیم. با این حال، این تکنیک ها محدودیت هایی دارند. CARS برای تحقق بخشیدن به [11] به تنظیمات آزمایشی گران قیمت و پیچیده نیاز دارد و SERS استفاده از بسترهای نمونه گران قیمت را ضروری می‌کند که اغلب از مشکلات تولید سیگنال‌های رامان همگن و تکرارپذیر رنج می‌برند [12]. بنابراین، برای حفظ راه‌اندازی آزمایشی ساده یک راه‌اندازی خود به خود رامان و به حداقل رساندن این مشکلات، مطلوب است که آن را تا حد امکان کارآمد کنیم.

در این کار، ما یک راه آسان برای دو برابر کردن کارایی مجموعه راه‌اندازی LTRS نشان می‌دهیم. ما یک راه‌اندازی LTRS را تغییر می‌دهیم که در پیکربندی پراکندگی برگشتی کار می‌کند تا به طور همزمان نور پراکنده به جلو را در یک اندازه‌گیری چند مسیری تک شات با استفاده از یک کندانسور با دیافراگم عددی بالا جمع‌آوری کند. این مفهوم افزایش کارایی مجموعه در طیف سنجی رامان در انتشارات قبلی مورد بررسی قرار گرفته است [13،14]. با این حال، این رویکردها به بسترهای نمونه ویژه برای کار با پیچیدگی فزاینده در مقایسه با استفاده از پوشش‌های استاندارد متکی هستند. بنابراین، اکثر تنظیمات LTRS که در ادبیات شرح داده شده‌اند، منحصراً با جمع‌آوری نور پراکنده پشتی یا رو به جلو [15-17] کار می‌کنند. از آنجایی که نمونه های LTRS اغلب شفاف هستند و به طور کلی تنظیمات از قبل یک کندانسور با دیافراگم عددی بالا نصب شده است، گسترش قابلیت جمع آوری نور پراکنده عقب و پراکنده رو به جلو ساده است. با استفاده از این رویکرد، ما یک راه‌اندازی آزمایشی حساس‌تر و منعطف‌تر را نشان می‌دهیم که امکان تشخیص هم کانونی و هم غیرهم کانونی را فراهم می‌کند. علاوه بر این، ما نشان می‌دهیم که چگونه می‌توان حساسیت پلاریزاسیون را به تنظیم اضافه کرد تا نحوه چرخش پراکندگی رامان قطبش را که به تقارن ارتعاشات مولکولی بستگی دارد، اندازه‌گیری کنیم [18]. ما پیش بینی می کنیم که این نتایج می تواند برای مطالعات آینده سیستم های زیستی حساس مفید باشد.

2. تجربی

برای به دام انداختن ذرات و بدست آوردن طیف رامان آنها، ما از یک ابزار LTRS ساخته شده در اطراف یک میکروسکوپ معکوس اصلاح شده (IX71، Olympus) استفاده می کنیم که قبلا در [19-21] توضیح داده شد. به شکل 1 نگاه کنید. به طور خلاصه، ما یک لیزر موج پیوسته 808 نانومتری (CRL-DL808-120-S-US-0.5، CrystaLaser) را با استفاده از یک هدف غوطه وری در آب 60× (UPlanSApo60xWIR 1.2NA، Olympus) برای تشکیل تله متمرکز می کنیم. و پراکندگی رامان را تحریک کنید. علاوه بر این، ما از هدف برای جمع آوری نور رامان پس پراکنده استفاده می کنیم.