현장 배치 가능한 응집성 라만 분광법을 통한 박테리아 포자의 스탠드오프 검출

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2634(2023) 이 기사 인용

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진동 분광법은 작업자와 장비에 대한 오염을 방지하면서 화학적 및 생물학적 무기의 스탠드오프 감지에 큰 잠재력을 제공합니다. 그중에서도 특히 유망한 것은 동기화된 펌프/스토크스 레이저 펄스를 사용하여 레이저 초점에서 대상 분자의 진동 일관성을 설정하는 CARS(Coherent anti-Stokes Raman 산란) 분광법입니다. 이는 프로브 펄스와의 추가 상호 작용을 통해 판독되어 결과적으로 발생합니다. 멀리서도 감지할 수 있는 간섭성 빔이 방출됩니다. CARS는 이전에 특징적인 분자 칼슘 디피콜리네이트(CaDPA)의 라만 스펙트럼을 기반으로 박테리아 포자를 검출하는 능력을 입증했습니다. 그러나 실험실 환경에만 적합한 복잡하고 부피가 큰 레이저 기술이 사용되었습니다. 여기에서는 소형 산업용 등급 이테르븀 레이저 시스템을 기반으로 광대역 CARS 설정을 개발합니다. 우리는 1m의 스탠드오프 거리와 1초의 획득 시간에서 105cfu/mm2의 농도에서 Bacillus atrophaeus 포자의 높은 신호 대 잡음비 검출을 보여줍니다. 향상된 견고성 및 휴대성과 함께 화학적 특이성과 감도를 결합한 당사 시스템은 화학적 및 생물학적 위협에 대한 실제 스탠드오프 탐지를 위한 차세대 장비의 길을 열어줍니다.

화학 및 생물학전 작용제의 원거리 탐지는 군대와 국토 안보 모두에서 점점 더 많은 관심을 받고 있는 주제입니다. 광학 기술은 본질적으로 비접촉식이므로 작업자와 장비에 대한 잠재적인 오염을 방지하므로 이러한 측면에서 큰 가능성을 제공합니다. 그러나 필요한 감도와 특이성에 도달하는 것은 어려운 검출 문제를 야기합니다. UV-LIF(자외선 여기를 통한 레이저 유도 형광)는 널리 사용되는 기술로, 여기1,2에 에너지 레이저 펄스를 사용하는 경우 높은 신호 강도를 얻을 수 있습니다. 그러나 이는 다소 불특정적이며 생물학적 제제의 형광 스펙트럼이 특징이 없고 환경에서 발생하는 다른 유기 물질의 형광 스펙트럼과 유사하기 때문에 생물학적 제제를 구별하는 것이 어려울 수 있습니다3. 레이저 유도 파괴 분광법(LIBS)은 고에너지 레이저 펄스를 사용하여 샘플을 플라즈마로 분해한 후 특정 주파수의 빛을 방출하여 원소 구성(이온, 원자 및 분자 조각)을 결정하는 또 다른 검출 방법입니다. ). 기술에 내재된 LIBS 신호 강도 및 샘플 손상 문제 외에도 생물학적 제제는 성장 또는 처리 방식에 따라 원소 함량에 상당한 변동성을 나타내어 LIBS의 특이성을 제한하고 범위를 좁힌다는 점에 유의해야 합니다. 생물학적 작용제 탐지에 적용 가능한 범위4,5. 광음향 분광학은 격리 거리에서 폭발 위험을 감지할 수 있는 가능성을 보여준 새로운 기술이지만 현재 낮은 감도6로 인해 제한됩니다. 반면, 진동 분광기는 화학적 특이성과 감도의 필요한 조합을 제공할 것을 약속합니다. 진동 스펙트럼은 분자의 구조를 반영하여 활용될 수 있는 내인성 및 화학적으로 특정한 특성을 제공합니다7.

라만 분광법은 분자 진동을 측정하는 일반적인 실험 방법입니다. 이는 대상 분자에 의한 광자의 비탄성 산란을 기반으로 하며, 분자의 진동 모드 에너지에 해당하는 주파수 이동으로 산란된 빛을 반환합니다8,9,10,11,12 ,13,14. 자발 라만(SR)에서 주파수 \(\omega _{pu}\)의 단색 빔은 주파수 \(\Omega \)의 열 분자 진동과 상호 작용하여 주파수 \(\omega)의 비탄성 산란(스토크스) 빛을 발생시킵니다. _{S}\) = \(\오메가 _{pu}\) − \(\오메가\). 프로세스의 자발적인 특성으로 인해 SR 빛은 약하고 공간적으로 일관성이 없으며 모든 방향으로 방출되므로 스탠드오프 감지가 매우 어려워집니다15,16. 이러한 한계는 레이저 초점에서 분자 집합 내에서 진동 일관성을 설정하고 감지하기 위해 일련의 광 펄스를 사용하는 3차 비선형 분광학 기술의 일종인 응집성 라만 산란(CRS)에 의해 극복될 수 있습니다. CRS는 진동 주파수 \(\omega _{pu}\) 및 \(\omega _{S}\)에서 각각 펌프와 스토크스의 두 펄스를 결합하여 진동 주파수가 \(\ Omega \) = \(\omega _{pu}\) − \(\omega _{S}\)는 펌프-스토크스 주파수 차이와 일치합니다.