Rilevamento di spore batteriche mediante spettroscopia Raman coerente dispiegabile sul campo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2634 (2023) Citare questo articolo

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Le spettroscopie vibrazionali offrono un grande potenziale per il rilevamento di agenti di guerra chimici e biologici, evitando la contaminazione dell'operatore e delle apparecchiature. Tra questi, particolarmente promettente è la spettroscopia di scattering Raman coerente anti-Stokes (CARS), che utilizza impulsi sincronizzati di pompa/laser Stokes per impostare una coerenza vibrazionale delle molecole bersaglio in un fuoco laser, che viene letta mediante ulteriore interazione con un impulso della sonda, risultante nell’emissione di un fascio coerente rilevabile a distanza. CARS ha precedentemente dimostrato la capacità di rilevare spore batteriche in base allo spettro Raman della caratteristica molecola di calcio dipicolinato (CaDPA); tuttavia è stata impiegata una tecnologia laser complessa e ingombrante, adatta solo per un ambiente di laboratorio. Qui sviluppiamo una configurazione CARS a banda larga basata su un sistema laser a itterbio compatto e di livello industriale. Dimostriamo il rilevamento di un elevato rapporto segnale-rumore delle spore di Bacillus atrophaeus a una concentrazione di 105 cfu/mm2, a una distanza di stallo di 1 m e un tempo di acquisizione di 1 s. Il nostro sistema, che combina specificità e sensibilità chimica insieme a robustezza e portabilità migliorate, apre la strada a una nuova generazione di strumenti per il rilevamento di situazioni di stallo nel mondo reale di minacce chimiche e biologiche.

Il rilevamento di agenti di guerra chimici e biologici è un argomento di crescente interesse sia per i militari che per la sicurezza nazionale. Le tecniche ottiche offrono una grande promessa in questo senso, poiché sono intrinsecamente senza contatto, evitando potenziali contaminazioni per l'operatore e le apparecchiature; tuttavia, raggiungere la sensibilità e la specificità richieste pone un difficile problema di rilevamento. La fluorescenza indotta dal laser con eccitazione ultravioletta (UV-LIF) è una tecnica ampiamente utilizzata, che può produrre intensità di segnale elevate a condizione che per l'eccitazione vengano utilizzati impulsi laser energetici1,2; tuttavia, è piuttosto aspecifico e la discriminazione degli agenti biologici può essere difficile perché spesso i loro spettri di fluorescenza sono informi e simili a quelli di altri materiali organici presenti nell'ambiente3. La spettroscopia di degradazione indotta dal laser (LIBS) è un altro metodo di rilevamento che utilizza impulsi laser ad alta energia per scomporre il campione in un plasma, che a sua volta emette luce a frequenze caratteristiche che consentono la determinazione della composizione elementare (ioni, atomi e frammenti molecolari ). Al di là delle questioni relative alla potenza del segnale LIBS e al danno al campione inerente alla tecnica, è necessario notare che gli agenti biologici mostrano una variabilità significativa nel loro contenuto elementare, a seconda del modo in cui sono stati coltivati ​​o manipolati, il che limita la specificità della LIBS e restringe l'ambito della sua applicabilità nel rilevamento di agenti biologici4,5. La spettroscopia fotoacustica è una tecnica emergente che ha mostrato un certo potenziale per il rilevamento di pericoli esplosivi a distanze di stallo, tuttavia è attualmente limitata da una bassa sensibilità6. Le spettroscopie vibrazionali, d'altro canto, promettono di offrire la combinazione richiesta di specificità chimica e sensibilità. Gli spettri vibrazionali riflettono la struttura delle molecole, fornendo firme endogene e chimicamente specifiche che possono essere sfruttate7.

La spettroscopia Raman è un metodo sperimentale comune per misurare le vibrazioni molecolari: si basa sulla diffusione anelastica di fotoni da parte di una molecola bersaglio, restituendo luce diffusa con uno spostamento di frequenza corrispondente all'energia dei modi vibrazionali della molecola8,9,10,11,12 ,13,14. Nel Raman spontaneo (SR) un fascio monocromatico alla frequenza \(\omega _{pu}\) interagisce con le vibrazioni molecolari termiche di frequenza \(\Omega \), dando origine a luce diffusa anelasticamente (Stokes) alla frequenza \(\omega _{S}\) = \(\omega _{pu}\) − \(\Omega \). A causa della natura spontanea del processo, la luce SR è debole, spazialmente incoerente ed emessa in tutte le direzioni, rendendo quindi molto difficile il rilevamento dello stand-off15,16. Questa limitazione può essere superata dallo scattering Raman coerente (CRS), una classe di tecniche di spettroscopia non lineare di terzo ordine che impiegano una sequenza di impulsi luminosi per impostare e rilevare una coerenza vibrazionale all'interno dell'insieme di molecole al fuoco del laser. Il CRS combina due impulsi, la pompa e lo Stokes, alle frequenze \(\omega _{pu}\) e \(\omega _{S}\), rispettivamente, per guidare le oscillazioni collettive di quelle molecole le cui frequenze vibrazionali \(\ Omega \) = \(\omega _{pu}\) − \(\omega _{S}\) corrisponde alla differenza di frequenza di pompa-Stokes.