12. Raman Spectroscopyphysics.teiath.gr › lesson › parousiaseis › Raman Spectroscopy_Cy… ·...

43
University of Cyprus Biomedical Imaging and Applied Optics Biomedical Imaging and Applied Optics Φασματοσκοπία Ράμαν (R S t ) (Raman Spectroscopy)

Transcript of 12. Raman Spectroscopyphysics.teiath.gr › lesson › parousiaseis › Raman Spectroscopy_Cy… ·...

University of CyprusBiomedical Imaging and Applied OpticsBiomedical Imaging and Applied Optics

Φασματοσκοπία Ράμαν(R S t )(Raman Spectroscopy)

Εισαγωγή

• Professor Sir C.V. RamanProfessor Sir C.V. RamanA New Type of Secondary RadiationC. V. Raman and K. S. Krishnan,

Βραβείο Nobel στη Φυσική 1930" για το έργο του σχετικά με τη σκέδαση του φωτός και για

Nature, 121(3048): 501-502, March 31, 1928

1888-1970

γ ργ χ μ η η φ ς γτην ανακάλυψη του φαινομένου που φέρει το όνομά του "

Τα πρώτα φάσματα Raman

2Bangalore, India

Εισαγωγή

•Φαινόμενο Raman Ανελαστική (inelastic) σκέδασηhνhνi

h(νi-νR)3

( i R)3

2

1

hνi0

S1

Virtual LevelΑνελαστική Σκέδαση

3ergy

• Ενέργεια μεταφέρεται από το προσπίπτον φως σε μοριακές

2

1

0

Ene

φ ς μ ρ ςδονήσεις

• Εκπομπή φωτός έχει μειωμένη ενέργεια

3

S0Rayleigh (elastic) Raman (inelastic) Scattering Scattering

με ωμέ η ε έργε α(λi<λR)

difference in energy

Εισαγωγή

•Μερικές δονήσεις στο Βενζόλιο (Benzene)Μερικές δονήσεις στο Βενζόλιο (Benzene)BreathingChubby CheckerKekule

3

4

5

D C

ount

s)

1

2

3

ensi

ty (C

CD

4

400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000

Raman Shift (cm-1)

Inte

Εισαγωγή

•Φάσμα Raman της Χοληστερίνης (Cholesterol)Φάσμα Raman της Χοληστερίνης (Cholesterol)

5Hanlon et al. “Prospects for in vivo Raman spectroscopy,” Phys Med Biol 45: R1 (2000)

Εισαγωγή

•Φάσματα Raman μ“Δακτυλικό αποτύπωμα” ενός μορίουμορίου

•Τα φάσματα Raman • Είναι χαρακτηριστικά του μορίου

• Περιέχουν πληροφορίες γιαΠεριέχουν πληροφορίες για τα δονητικά επίπεδα του μορίου Έ έ έ• Έχουν αιχμηρές κορυφές που επιτρέπουν την αναγνώριση ενός μορίου

6

από το φάσμα τουExamples of analytes found in blood

which are quantifiable with Raman spectroscopy

Εισαγωγή

1928 1960 Τέλ 1980 1990Εξέλιξη της φασματοσκοπίας Raman• 1928~1960

• Μικρή πειραματική πρόοδος

• 1960

• Τέλος 1980s→1990s• Βιοϊατρικές εφαρμογές • Προηγμένοι φασματογράφοι• 1960

• Εφεύρεση του λέιζερ επεκτείνει το πεδίο πειραματικών εφαρμογών

• 2000 →• Εφαρμογές σε ζώντες οργανισμούς (In vivo)πειραματικών εφαρμογών

• 1980s: ραγδαία τεχνολογική πρόοδος

οργανισμούς (In vivo)• Καθετήρες οπτικών ινών• Μη-γραμμική (Non-linear) φασματογραφίαχ γ ή ρ ς

• Φασματοσκοπία μετασχηματισμού Fourier

• Ανιχνευτές Charge Coupled

φασματογραφία

χ ς g pDevice (CCD)

• Ολογραφικά και διηλεκτρικά φίλτρα

7

• Λέιζερ υπέρυθρης (NIR) εκπομπής

Εισαγωγή

•Εφαρμογές της φασματογραφίας RamanΕφαρμογές της φασματογραφίας Raman• Δομική χημείαΜελέ η σ ερεάς α άσ ασης• Μελέτη στερεάς κατάστασης

• Αναλυτική χημεία• Εφαρμοσμένη ανάλυση υλικών• Έλεγχος διαδικασιώνΈλεγχος διαδικασιών• Μικρο-φασματογραφία / απεικόνισηΠαρακολούθηση του περιβάλλοντος• Παρακολούθηση του περιβάλλοντος

• Βιοϊατρική

8

Εισαγωγή

Ιστορία των Βιολογικών Εφαρμογών Raman• 1970: Οι Lord και Yu καταγράφουν το πρώτο φάσμα από πρωτεΐνη λυσοζύμη (lysozyme) με λέιζερ HeNeΕξέλ ξ δ έ NIR• Εξέλιξη σε διέγερση NIR

• Μειωμένος φθορισμός, μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης (mm)• 1980s:• 1980s:

• FT Raman με Nd:YAG and ψυχόμενους ανιχνευτές InGaAs(μεγάλοι χρόνοι συλλογής (30 min))Cl k (1987 1988) ή δ έ ύ• Clarke (1987-1988): ορατή διέγερση του αρτηριακού υδροξυαπατίτη ασβεστίου και καροτενοειδών

• 1990s, πρόοδος σε:1990s, πρόοδος σε:• Λέιζερ, Ανιχνευτές, φασματόμετρα διασποράς, Φίλτρα• Χημειομετρία

9

Εισαγωγή

•Διαγνωστικά Πλεονεκτήματα της γ ήμ ηςΦασματοσκοπίας Raman• Επιλογή μήκους κύματος (από υπεριώδες μέχρι γή μή ς μ ς ( ρ ς μ χρ

IR)• Δεν απαιτείται βιοψίαβ ψ• Άμεση μέτρηση μορίων

• μικρές συγκεντρώσειςμ ρ ς γ ρ ς• χημική σύνθεση• μορφολογική ανάλυσημ ρφ γ ή η

• Ποσοτική ανάλυση• In vivo διάγνωση

10

In vivo διάγνωση

Κλασσική Φυσική Raman

•Αλληλεπίδραση ηλεκτρικών πεδίωνΑλληλεπίδραση ηλεκτρικών πεδίων προσπίπτοντος φωτονίου και μορίου• Το ηλεκτρικό πεδίο ταλαντώνεται σε συχνότητα f :• Το ηλεκτρικό πεδίο ταλαντώνεται σε συχνότητα fi:

0 cos(2 )i iE E f tπ=• Προκαλεί μοριακό ηλεκτρικό δίπολο (p):

p Eα=• Ανάλογο με τη μοριακή πολωσιμότητα, α

• ευκολία με την οποία το ηλεκτρόνιο νέφος γύρω από ένα μόριο μπορεί να παραμορφωθεί

• Η πόλωση προκαλεί πυρηνική μετατόπιση( )

11

( )0 cos 2 Rq q tπν=

Κλασσική Φυσική Raman

•Για μικρές παραμορφώσεις, η πολωσιμότηταΓια μικρές παραμορφώσεις, η πολωσιμότηταείναι γραμμικά ανάλογη προς τη μετατόπιση

α⎛ ⎞∂0 0

0

...qqαα α

⎛ ⎞∂= + +⎜ ⎟∂⎝ ⎠

•Αποτέλεσμα το δίπολο:( )

Rayleigh Scattering

( )0 0 cos 2 ip E E tα α πν= = +

( ) ( ){ }1 cos 2 cos 2E q t tα π ν ν π ν ν⎛ ⎞∂ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤+ + −⎜ ⎟ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

St k R

( ) ( ){ }0 00

cos 2 cos 22 i R i RE q t t

qπ ν ν π ν ν⎡ ⎤ ⎡ ⎤+ +⎜ ⎟ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦∂⎝ ⎠

12

Anti-Stokes RamanStokes Raman

Φωτο-μοριακή Αλληλεπίδραση

1003

2 Rayleigh

Scattering

40

60

80

nten

sity

2

1

0n1 Stokes

-2000 -1000 0 1000 20000

20

1

I1

2

1

Anti-StokesStokes

Raman Shift (cm-1)

Ene

rgy

Virtual Levels

1

0n’1

ΔE=hνR

2

1

0

13

Auto- IR Rayleigh Stokes Anti-Stokes NIRFluorescence Absorption Scattering Raman Scattering Fluorescence

n0

Χαρακτηριστικά της Σκέδασης Raman

• Όπως και άλλα σκεδαστικά φαινόμενα, παρουσιάζεται υπό μορφή διατομής (cross-section σ [cm2]) ή πιθανότητας σκέδασης:(cross-section, σ [cm ]), ή πιθανότητας σκέδασης:

• ρ: συγκέντρωση των μορίων l: μήκος διαδρομής (pathlength)0I I lσρ=

ρ: συγκέντρωση των μορίων, l: μήκος διαδρομής (pathlength)• Πολύ αδύναμο φαινόμενο

• Μόνο 1 στα 107 φωτόνια σκεδάζεται με Raman• Ελαστική σκέδαση NIR σε ιστούς: '1/ 1mmμ ≈• Ελαστική σκέδαση NIR σε ιστούς:• Απορρόφηση NIR σε ιστούς:• Απορρόφηση Κόκκινου σε ιστούς ή νερό:• Σκέδαση Raman σε ιστούς ή νερό:

1/ 1s mmμ ≈1/ 10a cmμ ≈1/ 5a mμ ≈1/ 3kmμ ≈Σκέδαση Raman σε ιστούς ή νερό:

• Πραγματική σκεδαστική διαδικασία• Η εικονική κατάσταση (virtual state) είναι μια βραχύβια παραμόρφωση του

νέφους ηλεκτρονίων που δημιουργεί μοριακές δονήσεις

1/ 3R kmμ ≈

νέφους ηλεκτρονίων που δημιουργεί μοριακές δονήσεις• τ < 10-14 s

• Οι ισχυροί σκεδαστές Raman έχουν διανεμημένα σύννεφα ηλεκτρονίων• C=C

14

• C=C• π-bonds

Μονάδες & Ανάλυσης Διαστάσεων

•Οι φασματοσκοπικές συχνότητες αναφέρονται σε φ μ ς χ η ς φ ρκυματαριθμούς [cm-1], ανάλογους με την ενέργεια μεταπτώσεως:

1E fhc c

νλ

= = = c fλ=E hf=

•Οι συχνότητες Raman είναι ανεξάρτητες από το μήκος κύματος διέγερσης μια και αναφέρονται ως

hc c λ f

μήκος κύματος διέγερσης μια και αναφέρονται ως σχετική διαφορά ενέργειας• Κυματαρυθμοί σε σχέση με τη διέγερση:Κυματαρυθμοί σε σχέση με τη διέγερση:

1 1Rν λ λ= −

20δλ δνλ=

15

i Rλ λ

Μονάδες & Ανάλυσης Διαστάσεων

•ΠαράδειγμαΠαράδειγμα• Διέγερση NIR στα 830 nm: 12,048 cm-1

Τ ή ε α ό ση Raman 1000 cm 1Rν• Τυπική μετατόπιση Raman: ~1000 cm-1

• λR = 905 nm

• Πλάτος γραμμής από Raman βιολογικών μορίων~10 cm-1 FWHM

• δλR= 0.69 nm

16

UV, Ορατή, και NIR Διέγερση

• Επιλογή Μήκους ΚύματοςΤ ή R έ θ ή• Τα σήματα Raman έχουν σταθερή μετατόπιση μπορούμε να μεταβάλουμε το μήκος κύματος διέγερσης και να πάρουμε τις ίδιες πληροφορίες

• UV• + Ενίσχυση από συντονισμό

(Resonance)θ ό ί• + λR<λF ο φθορισμός μπορεί να

φιλτραριστεί• - φωτο-βλάβες, μικρή διείσδυση

Ο ό• Ορατό• + Raman ∝λ-4 ↑IR vs. IR• - ο φθορισμός επικαλύπτει το Raman

• NIR: • + Χαμηλότερος φθορισμός• + Μεγαλύτερη διείσδυση

17

• - Raman ∝λ-4 ↓IR vs. Vis

UV, Ορατή, και NIR Διέγερση

Εφαρμογές• UVRR

• Βιολογικά μακρομόρια: νουκλεϊκά οξέα, πρωτεΐνες, λιπίδια• Οργανίδια, κύτταρα, μικροοργανισμούς, βακτηρίδια, νευροτοξίνες,

φυτοπλαγκτόν ιοίφυτοπλαγκτόν, ιοί• Κλινικά περιορισμένη: φωτομεταλλαξιογόνο

• ΟρατήΚύ ( λά θ ό )• Κύτταρα (ελάχιστος φθορισμός)

• DNA στα χρωμοσώματα, χρωστικές ουσίες σε κοκκιοκύτταρα και λεμφοκύτταρα, ερυθρά αιμοσφαίρια, ηπατοκύτταρα

• Πρώτη μελέτες σε αρτηρία: υδροξυαπατίτης και καροτενοειδή (Clarke 1987• Πρώτη μελέτες σε αρτηρία: υδροξυαπατίτης και καροτενοειδή (Clarke 1987, 1988)

• NIR• Hirschfeld & Chase 1986: FT-Raman• Hirschfeld & Chase, 1986: FT-Raman• Ιστοί: αρτηρία, τράχηλος της μήτρας, δέρμα, μαστός, αίμα, γαστρεντερικοί,

οισοφάγος, όγκοι του εγκεφάλου, νόσος Alzheimer, προστάτης, οστά

18

UV, Ορατή, και NIR Διέγερση

•Φασματοσκοπικά Πλ ή

3

2

1Πλεονεκτήματα της NIR Raman

• Στενές ζώνες δόνησης Visible

1

0n1

nerg

y

Virtual LevelΣτενές ζώνες δόνησης, συγκεκριμένες χημικά και πλούσιες σε πληροφορίες

Melanin 3

2

E

ηρ φ ρ ς• Ευελιξία στην επιλογή μήκους κύματος διέγερσης

1

0n0Fluorescence Raman (inelastic)

Scatteringδ έγερσης• Ελαχιστοποίηση του ανεπιθύμητου φθορισμού των ιστών

Scattering

104

1061 c

m-1

) H2O VisibleNIR

ExcitationMelanin• Βελτιστοποίηση βάθους δειγματοληψίας

• Χρήση τεχνολογίας CCD

102

1ε(1

0-3 M

-

HbO

Melanin

19

CCD100 200 500 1000 2 00010-2

Wavelength (nm)

Τρέχουσα Τεχνολογία Raman

• Λέιζερ Διόδων (Laser diodes)Σ έ έ θ (C t) Σ θ έ λ έ έ NIR• Συνεπτυγμένο μέγεθος (Compact), Σταθερές λεπτές γραμμές, NIR

• Φασματογράφοι ψηλής απόδοσης (f/1.8)• Ολογραφικά Στοιχεία• Ολογραφικά Στοιχεία

• Ζωνοπερατά (Bandpass) φίλτρα (αφαιρούν αυτογενείς (spontaneous) εκπομπές του υλικού του λέιζερ)

• Φίλτρα αποκοπής (Notch) (106 απόρριψη του λέιζερ με Rayleigh• Φίλτρα αποκοπής (Notch) (106 απόρριψη του λέιζερ με Rayleighσκέδαση)

• Πλέγματα μετάδοσης με μεγάλη επιφάνεια και ψηλή απόδοσηέ CC• Ανιχνευτές CCD

• Ψηλή κβαντική απόδοση (QE)• Χαμηλός θόρυβος (ψύξη με LN2)• Ανίχνευση πολλαπλών καναλλιών

• Καθετήρες οπτικών ινών ψηλής απόδοσης με φίλτραΤ ή NIR FT PMT δ ύ

20

• Τα συστήματα NIR FT και PMT δεν χρησιμοποιούνται πια

Κλινικά Συστήματα Raman

830 nmbandpassfilter

shutter

Diode Laser filterDiode Laser

holographic grating

notch filter

21

CCD

Καθετήρες Raman με Οπτικές Ίνες

Πρόβλημα Fiber background NA2ρ β ημ•Εκπομπή από τις Οπτικές Ίνες

Fiber background μ NA2

Οπτικές Ίνες• Αλλοιώνει το σήμα• Προσθέτει θόρυβοΠροσθέτει θόρυβο βολής (shot-noise)

•Χαμηλή συλλογή•Χαμηλή συλλογή σήματος

• Το φαινόμενο RamanΤο φαινόμενο Raman είναι αδύνατο

• Οι ιστοί σκεδάζουν

22

πολύ

Καθετήρες Raman με Οπτικές Ίνες• Μείωση της εκπομπής από τις ίνες

• Εκπομπή εξίσου στις ίνες διέγερσης και συλλογής• Λέιζερ διέγερσης Σκέδαση Raman από τους ιστούς• Σκέδαση Raman από ίνα, μεταφέρεται από την ίνα διέγερσης*• Σκέδαση Raman από την ίνα σκεδάζεται ελαστικά από τον ιστό (και• Σκέδαση Raman από την ίνα σκεδάζεται ελαστικά από τον ιστό (και

συλλέγεται από την ίνα συλλογής)• Λέιζερ διέγερσης σκεδάζεται ελαστικά (και συλλέγεται από την ίνα

συλλογής)ς)• Σκέδαση Raman από την ίνα συλλογής*

x c* ∝ NA2

Excitation laser

Tissue Ramanx c

From McCreery RL

Tissue Raman

Fiber background

23

Tissue Sample

From McCreery RL “Raman Spectroscopy for Chemical Analysis,” 2000. Tissue Sample

Καθετήρες Raman με Οπτικές Ίνες

•Μετάδοση Φίλτρων100

R i f I t t80

(%)

Region of Interest

60

mis

sion

(

Collection FilterExcitation Filter

40

Tran

sm

20

24

0 500 1000 15000

Raman Shift (cm-1)

Καθετήρες Raman με Οπτικές Ίνες

Πρόβλημα • Λύσεις•Εκπομπή από τις Οπτικές Ίνες

• Μικρο-οπτικά φίλτρα• βραχυ-περατό φίλτρο

• Αλλοιώνει το σήμα• Προσθέτει θόρυβο βολής

(shot-noise)

διέγερσης• Μακρυ-περατό φίλτρο συλλογής( )

•Χαμηλή συλλογή σήματος

γής

• Βελτιστοποίηση της οπτικής διάταξηςήμ ς

• Το φαινόμενο Raman είναι αδύνατο

• Οι ιστοί σκεδάζουν πολύ

• Χαρακτηρισμός της κατανομής του φωτός Raman στους ιστούςΟι ιστοί σκεδάζουν πολύ ς

• Καθορισμός βέλτιστης γεωμετρίας

• Σχεδιασμός οπτικής συλλογής

25

• Σχεδιασμός οπτικής συλλογής

Καθετήρες Raman με Οπτικές Ίνες

Στόχοι Σχεδιασμού• Περιορισμένη γεωμετρία για κλινική χρήση

• Σύνολο διαμέτρου ~ 2 χιλιοστά για πρόσβαση σε ί ίστεφανιαίες αρτηρίες

• Εύκαμπτος• Ικανός να αντέχει αποστείρωσηΙκανός να αντέχει αποστείρωση

• Σχεδιασμένος να λειτουργεί με 830 nm διέγερση• Ψηλής απόδοσης• Ψηλής απόδοσης

• Συσσώρευσης δεδομένων σε 1 ή 2 δευτερόλεπτα• Ασφαλή επίπεδα ισχύοςΑσφαλή επίπεδα ισχύος• SNR παρόμοια με εργαστηριακά συστήματα Raman• Ακριβής εφαρμογή μοντέλων

26

Καθετήρες Raman με Οπτικές Ίνεςcollection fibers

aluminum jacketaluminum jacket

excitation fiber

long-passfilter tube

1 m

m

metal sleevesleeve

0.55short-passfilt d

retainingsleeve 1 75 mm

0.70filter rod

272 mm

sleeve

ball lens

1.75 mmSingle Ring Probe has 15 Fibers

Motz et al. Appl Opt 43: 52 (2004)

Καρδιαγγειακές Παθήσεις

•Η επιβάρυνσης από τις καρδιαγγειακές παθήσεις †Η επιβάρυνσης από τις καρδιαγγειακές παθήσεις †• 71.300.000 άνθρωποι στις Ηνωμένες Πολιτείες πάσχουν από ΚΑΠπάσχουν από ΚΑΠ

• 910.600 θάνατοι ετησίως1 στους 2 7 θανάτους• 1 στους 2,7 θανάτους

•Στεφανιαία νόσος στοιχίζει 653.000 ζωές ετησίως• 1 στους 5 θανάτους• Οικονομικό κόστος: μεγαλύτερο από 142,5 δισ. Ο ο ομ ό όσ ος μεγα ύ ερο α ό ,5 δ σδολάρια

28†American Heart Association, Heart and Stroke Statistics-2006 Update

Καρδιαγγειακές Παθήσεις

•Ανατομία της αρτηρίας

Media

Normal Mildly Atherosclerotic Plaque Ruptured Plaque

Media

Fibrous Cap

LumenT

Atheroma

Cap

IntimaAtheroma

NC

AdventitiaT th b

29

T: thrombusNC: necrotic core

Καρδιαγγειακές Παθήσεις

•Μερικές Τρέχουσες Προκλήσεις στηνΜερικές Τρέχουσες Προκλήσεις στην Καρδιολογία• Αξιολόγηση και ανάπτυξη θεραπευτικών μεθόδων• Αξιολόγηση και ανάπτυξη θεραπευτικών μεθόδων• Αιτιολογία της αθηροσκλήρωσης• Μηχανισμοί της εκ νέου στένωσης

• Μετά την αγγειοπλαστική• Αγγειοπάθεια μεταμοσχεύσεων

• Ανίχνευση των ευάλωτων αθηρωματικών πλακώνχ η ηρ μ• Πρόβλεψη / πρόληψη των καρδιακών επεισοδίων

30

Καρδιαγγειακές Παθήσεις

Ευάλωτες αθηρωματικές πλάκες• Ευθύνονται για την πλειοψηφία του αιφνίδιου καρδιακού θανάτουΣ ά β ί λ ά ά ί• Συχνά συμβαίνουν σε κλινικά ασυμπτωματικά αγγεία

• <50% στένωση• Δεν υπάρχουν αποτελεσματικές θεραπείες• Δεν υπάρχουν αποτελεσματικές θεραπείες• Χαρακτηρίζονται από:

• Βιοχημικές μεταβολέςχημ ς μ β ς• Αφροκύτταρα (Foam cells)• Συσώρρευση λιπιδίων (Lipid pool)Φλεγμονώδη κύτταρα• Φλεγμονώδη κύτταρα

• Λεπτό ινώδες κάλυμμα (<65 μm)• Σήμερα είναι μη ανιχνεύσιμα

31

Σήμερα είναι μη ανιχνεύσιμα

Καρδιαγγειακές Παθήσεις

Συνήθεις διαγνωστικές τεχνικές• Αγγειογραφία

• Σοβαρότητα της στένωσης, θρόμβωση, πυκνή β ίασβεστοποίηση

• Δεν παρέχει βιοχημικές πληροφορίες Αγγειοσκοπία (Angioscopy)• Αγγειοσκοπία (Angioscopy)

• Χαρακτηριστικά της επιφάνειας της πλάκας, συμπεριλαμβανομένου του χρώματοςμ ρ μβ μ χρ μ ς

• Δεν υπάρχουν πληροφορίες των υπο-επιφανειακών χαρακτηριστικών

• Ιστοπαθολογία• Βιοχημικές και μορφολογικές πληροφορίες• Απαιτεί εκτομή ιστού

32

• Απαιτεί εκτομή ιστού

Καρδιαγγειακές Παθήσεις

• Νέες διαγνωστικές τεχνικές

• Μαγνητική τομογραφία• Εξωτερικό υπερηχογράφημα

• Ενδο-αγγειακό υπερηχογράφημα• Εξωτερικό υπερηχογράφημα

• Τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίωνΥ λ ή ί

ρηχ γρ φημ• Μικροδομή (100 μm)

• Οπτική τομογραφία συνοχής• Μικροδομή (10 μm)• Υπολογιστική τομογραφία

δέσμης ηλεκτρονίων• Θερμογραφία

Μικροδομή (10 μm)• Φασματοσκοπία φθορισμού

• Περιορισμένες χημικές πληροφορίες

• Ελαστογραφίαπληροφορίες

• Πλατιά φασματικά χαρακτηριστικά

• Φασματοσκοπία RamanΦασματοσκοπία Raman• Ποσοτικά στοιχεία βιοχημικών• Μορφολογική ανάλυσηΜη-Επεμβατικές

33

Καρδιαγγειακές Παθήσεις

0 6

0.8

1.0• Φάσματα Raman παθολογικής αθηροσκλήρωσης • Ca hydroxyapatite

0.0

0.2

0.4

0.6y y p

• proteins

800 1000 1200 1400 1600 1800

-0.2

0.81.0

.)

• cholesterol• β-carotene

0 20.00.20.40.6

nten

sity

(a.u • β-carotene

• proteins

0.81.0

800 1000 1200 1400 1600 1800-0.4-0.2In

• collagen

-0.20.00.20.40.6 • elastin

• actin

34

800 1000 1200 1400 1600 1800-0.6-0.4

Raman Shift (cm-1)Image from medstat.med.utah.edu/WebPath/webpath.html

Καρδιαγγειακές Παθήσεις

• Ασβέστωση στη Στεφανιαία Νόσο: Μια προγνωστική (Prospective) Μελέτη

1.0 Normal Artery Non-Calcified Plaque Calcified Plaque

1.0 Normal Artery Non-Calcified Plaque Calcified PlaqueP t t C l ifi ti

0 6

0.8

on 0 6

0.8 Punctate Calcification

on

0.4

0.6

3 σ error zonealci

ficat

io

0.4

0.6

3 σ error zonealci

ficat

io

0.2

Ca

0.2

Ca

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.0

35

CholesterolNCR + Lipid CoreNCRCholesterolNCR + Lipid CoreNCR

Buschman HPJ, Motz JT, et al. Cardiovascular Pathology 10(2), 59-68 (2001)

Καρδιαγγειακές Παθήσεις

• In Vivo Κλινικά Δεδομένα: Ασβεστωμένη (Calcified) πλάκα 50 μm1

DataFitResidual

0.5

.u.)

Residual

0

Inte

nsity

(a

-0.5

800 1000 1200 1400 1600 1800Raman Shift (cm -1 )

36Motz JT et al., J Biomed Opt 11(2): 021003

Καρδιαγγειακές Παθήσεις

• In Vivo Κλινικά Δεδομένα: Ρήξη (Rupture) πλάκας

0 5

1DataFitR id l

0

0.5

.)

Residual

-0.5

Inte

nsity

(a.u

.

-1.5

-1

0.4 mm

0.1 mm800 1000 1200 1400 1600 1800Raman Shift (cm -1 )

37Motz JT et al., J Biomed Opt 11(2): 021003

Καρδιαγγειακές Παθήσεις

• In Vivo Κλινικά Δεδομένα: Θρόμβωση (thrombosis) πλάκας

0 5

1DataFitResidual

0

0.5

u.)

Residual

0.1 mm-0.5

Inte

nsity

(a.

-1.5

-1

800 1000 1200 1400 1600 1800Raman Shift (cm -1 )

38Motz JT et al., J Biomed Opt 11(2): 021003

Εφαρμογές σε άλλες ασθένειες

Φυσιολογικός Ιστός Μαστού Κακοήθης Όγκος Μαστού1 1

0 5

1Data Fit Residual

0.5

1Data Fit Residual

0

0.5

ntes

nity

(a.u

.)

-0.5

0

ntes

nity

(a.u

.)

0In

-1

0.5In

800 1000 1200 1400 1600 1800

-0.5

Raman Shift (cm -1)800 1000 1200 1400 1600 1800

-1.5

Raman Shift (cm -1)

100 mW excitation, 1 second collection

39

Μελλοντικές Κατευθύνσεις

• High-Wavenumber RamanHigh Wavenumber Raman

Προτερήματα• Ψηλό σήμα Raman • Χαμηλός φθορισμόςΚ θόλ ή ό ί

Μειονεκτήματα• Φαρδύτερες κορυφές• Μικρότερο φασματικό εύροςΚ ί λ ίδ

40www.sigma.com

• Καθόλου εκπομπή από ίνες• Διακρίνει εστέρες της χολιστερίνης

• Κυρίως λιπίδια• Δεν υπάρχει σήμα ασβέστωσης

Μελλοντικές Κατευθύνσεις

• High-Wavenumber RamanNormal Bladder

High Wavenumber Raman

DNA

Collagen

A ti

Glycogen

Cholesteryl palmitate

Actin High-Wavenumber H&E

lp: lamina propriau: urotheliumCholesteryl palmitate

Cholesteryl linoleate

Triolein

41Koljenovic S et al., J Biomed Opt 10(3): 031116 (2005)

Triolein

Συμπεράσματα

•Μοριακά “δακτυλικά αποτυπώματα”ρ μφασματοσκοπίας Raman από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτονίων και μοριακών δονήσεων

•Εγγύς υπέρυθρη διέγερση προτιμάται γιαΕγγύς υπέρυθρη διέγερση προτιμάται για βιοϊατρικές εφαρμογές

•Πρόσφατες εξελίξεις στους καθετήρες οπτικών•Πρόσφατες εξελίξεις στους καθετήρες οπτικών ινών επιτρέπουν την ακριβή και σε πραγματικό χρόνο ανάλυση in vivoχρόνο ανάλυση in vivo

•Νέοι τομείς της έρευνας είναι ελπιδοφόροι για ευρεία κλινική εφαρμογή

42

ευρεία κλινική εφαρμογή

Αναφορές

• McCreery RL. Raman Spectroscopy for Chemical A l i Wil I t i N Y k 2000Analysis. Wiley-Interscience, New York, 2000.

• Ferraro JR, Nakamoto K, and Brown CW. I t d t R S t 2 d dIntroductory Raman Spectroscopy 2nd ed. Academic Press, Boston, 2003.H l EB t l “P t f i i R• Hanlon EB, et al. “Prospects for in vivo Raman spectroscopy,” Phys Med Biol 45: R1-R59 (2000).

• Mahadevan Jensen A and Richards Kortum R• Mahadevan-Jensen A and Richards-Kortum R. “Raman spectroscopy for the detection of cancers and precancers,”J Biomed Opt 1:31-70 (1996).( )

• Utzinger U and Richards-Kortum R. “Fiber optic probes for biomedical spectroscopy,” J Biomed Opt 8 121 147 (2003)

43

8: 121-147 (2003).