Espectroscopia Raman con desplazamiento espacial

La espectroscopia Raman con desplazamiento espacial ( SORS ) ^{[ 1 ]} es una variante de la espectroscopia Raman que permite un análisis químico de alta precisión de objetos bajo superficies que dificultan la visualización, como tejidos, recubrimientos y botellas. Algunos ejemplos de uso incluyen el análisis de: hueso bajo la piel, ^{[ 2 ]} tabletas dentro de botellas de plástico, ^{[ 3 ]} explosivos dentro de contenedores ^{[ 4 ]} y tabletas falsificadas dentro de blísteres. También se han producido avances en el desarrollo de diagnósticos médicos profundos no invasivos mediante SORS, con la esperanza de poder detectar tumores de mama.

La espectroscopia Raman se basa en la dispersión inelástica de luz monocromática para producir un espectro característico de una muestra. Esta técnica suele utilizar los fotones desplazados hacia el rojo que se producen cuando la luz monocromática pierde energía debido a la vibración molecular. El cambio de color y la probabilidad de dispersión inelástica son característicos de la molécula que dispersa el fotón. Una molécula puede producir entre 10 y 20 líneas principales, aunque esto solo está limitado por el número de enlaces y las restricciones de simetría. Es importante destacar que el espectro producido por una mezcla forma una combinación lineal de los espectros de sus componentes, lo que permite determinar su composición química relativa mediante una sencilla medición espectroscópica utilizando análisis quimiométrico .

La espectroscopia Raman convencional se limita a la superficie cercana de objetos con dispersión difusa. Por ejemplo, en el caso de los tejidos, se limita a los primeros cientos de micrómetros de profundidad del material superficial. La espectroscopia Raman se utiliza con este fin en muchas aplicaciones donde su alta especificidad química permite el mapeo químico de superficies, por ejemplo, el mapeo de tabletas. ^{[ 5 ]} La medición más allá de la superficie de muestras con dispersión difusa es limitada porque la intensidad de la señal es alta en la región de excitación láser y domina la señal recolectada.

La técnica básica SORS fue inventada y desarrollada por Pavel Matousek, Anthony Parker y sus colaboradores en el Laboratorio Rutherford Appleton del Reino Unido. El método se basa en el hecho de que la mayoría de los materiales no son completamente transparentes a la luz ni la bloquean por completo, sino que tienden a dispersarla. Un ejemplo es cuando un puntero láser rojo ilumina la punta de un dedo: la luz se dispersa por todo el tejido del dedo. Dondequiera que llegue la luz, habrá cierta dispersión inelástica debido al efecto Raman, por lo que, en algún punto, la mayor parte de un objeto generará una señal Raman detectable, incluso si no está en la superficie. El truco con SORS es realizar una medición que evite la región de excitación dominante.

Una medición SORS requiere al menos dos mediciones Raman: una en la fuente y otra en una posición desplazada, generalmente a unos pocos milímetros de distancia. Los dos espectros se pueden restar mediante una resta escalada para obtener dos espectros que representan los espectros de la subsuperficie y la superficie. Para un sistema simple de dos capas, como polvo en una botella de plástico, el espectro del polvo se puede medir sin conocer el material de la botella ni su contribución relativa a la señal. Hacer esto sin usar una medición desplazada se vería seriamente limitado por el ruido de disparo de fotones generado por las señales Raman y de fluorescencia originadas en la capa superficial. ^{[ 6 ]}

La sustracción escalada funciona bien para sistemas de dos capas, pero ejemplos más complejos, como aquellos en los que el material suprayacente contiene componentes incluidos en la subcapa (tejido vivo, por ejemplo), pueden requerir un análisis multivariante. Cuando se utilizan técnicas multivariantes, como el análisis de componentes principales , es necesario tomar varios espectros a diferentes distancias de desplazamiento. A medida que aumenta el desplazamiento espacial, aumenta la proporción de la contribución espectral subsuperficial/superficial. Sin embargo, la señal total también disminuye con el aumento del desplazamiento, por lo que esta proporción no puede aumentar indefinidamente en una medición práctica.

SORS inverso ^{[ 7 ]} es una subvariante útil de SORS que mejora ciertas mediciones, como el análisis de tejido in vivo . En lugar de utilizar una geometría de recolección puntual y un punto circular para la iluminación, se puede mantener un desplazamiento constante iluminando la muestra con un anillo de luz centrado en la región de recolección. Esto presenta varias ventajas, entre ellas, la reducción de la densidad de potencia total y la posibilidad de manipular fácilmente la distancia de desplazamiento.

La espectroscopia Raman con desplazamiento microespacial (micro-SORS) combina SORS con microscopía . ^{[ 8 ]} La principal diferencia entre SORS y micro-SORS es la resolución espacial: mientras que SORS es adecuada para el análisis de capas milimétricas, micro-SORS es capaz de resolver capas delgadas a escala micrométrica.