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Simultaneous Dual-Wavelength Source Raman Spectroscopy with a Handheld Confocal Probe for Analysis of the Chemical Composition of In Vivo Human Skin
Analytical Chemistry ( IF 6.7 ) Pub Date : 2023-03-17 , DOI: 10.1021/acs.analchem.2c05065 Yi Qi 1 , Ruochong Zhang 1 , Poongkulali Rajarahm 1 , Shuyan Zhang 1 , Amalina Binte Ebrahim Attia 1 , Renzhe Bi 1 , Malini Olivo 1
Analytical Chemistry ( IF 6.7 ) Pub Date : 2023-03-17 , DOI: 10.1021/acs.analchem.2c05065 Yi Qi 1 , Ruochong Zhang 1 , Poongkulali Rajarahm 1 , Shuyan Zhang 1 , Amalina Binte Ebrahim Attia 1 , Renzhe Bi 1 , Malini Olivo 1
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Confocal Raman spectroscopy (CRS) is a powerful tool that has been widely used for biological tissue analysis because of its noninvasive nature, high specificity, and rich biochemical information. However, current commercial CRS systems suffer from limited detection regions (450–1750 cm–1), bulky sizes, nonflexibilities, slow acquisitions by consecutive excitations, and high costs if using a Fourier transform (FT) Raman spectroscopy with an InGaAs detector, which impede their adoption in clinics. In this study, we developed a portable CRS system with a simultaneous dual-wavelength source and a miniaturized handheld probe (120 mm × 60 mm × 50 mm) that can acquire spectra in both fingerprint (FP, 450–1750 cm–1) and high wavenumber (HW, 2800–3800 cm–1) regions simultaneously. An innovative design combining 671 and 785 nm lasers for simultaneous excitation through a compact and high-efficiency (>90%) wavelength combiner was implemented. Moreover, to decouple the fused FP and HW spectra, a first-of-its-kind precise Raman spectra separation algorithm (PRSSA) was developed based on the maximum a posteriori probability (MAP) estimate. The accuracy of spectra separation was greater than 99%, demonstrated in both phantom experiments and in vivo human skin measurements. The total data acquisition time was reduced by greater than 50% compared to other CRS systems. The results proved our proposed CRS system and PRSSA’s superior capability in fast and ultrawideband spectra acquisition will significantly improve the integration of CRS in the clinical workflow.
中文翻译：
使用手持式共焦探头同步双波长源拉曼光谱分析人体皮肤的化学成分
共焦拉曼光谱（CRS）是一种强大的工具，因其无创性、高特异性和丰富的生化信息而被广泛用于生物组织分析。然而，当前的商用 CRS 系统存在检测区域有限 (450–1750 cm –1 )、尺寸庞大、不灵活性、连续激发采集速度慢以及使用带有 InGaAs 检测器的傅里叶变换 (FT) 拉曼光谱的高成本等问题。阻碍它们在诊所的采用。在本研究中，我们开发了一种便携式 CRS 系统，具有同步双波长源和小型手持式探头 (120 mm × 60 mm × 50 mm)，可以采集指纹（FP，450–1750 cm –1 ）和指纹中的光谱。同时高波数（HW，2800–3800 cm –1 ）区域。实施了一种创新设计，结合了 671 和 785 nm 激光器，通过紧凑且高效 (>90%) 的波长组合器同时激发。此外，为了解耦融合的 FP 和 HW 光谱，基于最大后验概率 (MAP) 估计，开发了首个精确拉曼光谱分离算法 (PRSSA)。模型实验和体内人体皮肤测量都证明了光谱分离的准确性大于 99%。与其他 CRS 系统相比，总数据采集时间减少了 50% 以上。结果证明我们提出的 CRS 系统和 PRSSA 在快速和超宽带光谱采集方面的卓越能力将显着提高 CRS 在临床工作流程中的集成。
更新日期：2023-03-17
中文翻译：
使用手持式共焦探头同步双波长源拉曼光谱分析人体皮肤的化学成分
共焦拉曼光谱（CRS）是一种强大的工具，因其无创性、高特异性和丰富的生化信息而被广泛用于生物组织分析。然而，当前的商用 CRS 系统存在检测区域有限 (450–1750 cm –1 )、尺寸庞大、不灵活性、连续激发采集速度慢以及使用带有 InGaAs 检测器的傅里叶变换 (FT) 拉曼光谱的高成本等问题。阻碍它们在诊所的采用。在本研究中，我们开发了一种便携式 CRS 系统，具有同步双波长源和小型手持式探头 (120 mm × 60 mm × 50 mm)，可以采集指纹（FP，450–1750 cm –1 ）和指纹中的光谱。同时高波数（HW，2800–3800 cm –1 ）区域。实施了一种创新设计，结合了 671 和 785 nm 激光器，通过紧凑且高效 (>90%) 的波长组合器同时激发。此外，为了解耦融合的 FP 和 HW 光谱，基于最大后验概率 (MAP) 估计，开发了首个精确拉曼光谱分离算法 (PRSSA)。模型实验和体内人体皮肤测量都证明了光谱分离的准确性大于 99%。与其他 CRS 系统相比，总数据采集时间减少了 50% 以上。结果证明我们提出的 CRS 系统和 PRSSA 在快速和超宽带光谱采集方面的卓越能力将显着提高 CRS 在临床工作流程中的集成。
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