Fiber-enhanced Raman spectroscopy in aqueous media

Yan, Di GND

This dissertation focuses on the investigation and development of an optical biosensor based on fiber-enhanced Raman spectroscopy (FERS) that provides chemical selective and sensitive label-free detection of biomolecules. FERS has been achieved by using various types of liquid core optical fibers, which guide the light within the liquid sample and increase the interaction length with the analyte molecules. The first part of this dissertation explains the FERS technique in detail and describes the current state of research of FERS. Several essential characteristics, such as fiber length, attenuation, material and refractive index, are thoroughly discussed in considerations of Raman intensity enhancement. Liquid-core fibers formed with hollow-core photonic-crystal fibers (HC-PCFs) and polymer fibers are introduced and discussed, as they are the most important breakthroughs. The objective of this research is to develop a robust optical fiber platform based on Raman spectroscopy that shows potential for use in bio-analytical and clinical applications. In this work, I demonstrate a combination of UV-resonance Raman spectroscopy (UV-RRS) and liquid-core fibers, to increases the sensitivity for the detection of low-concentrated pharmaceuticals tremendously. This combined enhancement technique was applied for the detection of bile pigments for monitoring of diseases related to hyperbilirubinemia and hyperbiliverdinemia. Their poor optical quality strongly limits the performances of the polymer-based liquid-core fibers. Therefore, the implementation of HC-PCFs was explored in two different types of optical guiding. Waveguiding in the visible range is achieved for the first time in both kinds of liquid-filled HC-PCFs, and therefore the Raman scattering wavelengths are not anymore limited to the insensitive NIR range. In order to achieve easy-to-use and stable FERS devices for further development, the performance of HC-PCFs in the aspect of light-confinement was studied with the help of a specially designed multi-channel Raman chemical imaging. The optimal fiber length, spatial filtering, and optical coupling were thoroughly analyzed, and an automatic coupling system was developed. With the development of optical fibers, FERS shows increasing potential as a robust, fast, chemical selective and sensitive tool for the detection of biomolecules in clinical, pharmaceutical, and biological applications.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Erforschung und Entwicklung eines optischen Biosensors, basierend auf faserverstärkter Raman Spektroskopie (engl. fiber-enhanced Raman spectroscopy, FERS). Dieser Sensor ermöglicht die chemisch selektive, sensitive und markierungsfreie Detektion von Biomolekülen. FERS wurde durch den Einsatz von verschiedenen optischen Fasern mit flüssigkeitsgefülltem Hohlkern bewerkstelligt. Die Fasern führen das Licht innerhalb der flüssigen Probe und vergrößern so die Strecke, auf der das Licht mit den Analytmolekülen wechselwirkt. Der erste Teil dieser Dissertation erklärt die FERS-Technik detailliert und beschreibt den derzeitigen Stand der Forschung bzgl. FERS. In den Überlegungen zur Verstärkung der Raman-Intensität werden mehrere wesentliche Eigenschaften wie Länge, Dämpfung sowie Material und Brechungsindex der Faser berücksichtigt und ausführlich behandelt. Flüssigkeitsgefüllte Fasern auf der Basis von photonischen Kristallfasern (HC-PCFs) und Polymerfasern mit Hohlkern werden eingeführt und besprochen, da sie den größten wissenschaftlichen Durchbruch darstellen. Das Ziel dieser Forschung ist es, ein stabiles Setup für faserverstärkte Raman-spektroskopische Messungen zu entwickeln, das Potential für den Einsatz in bioanalytischen und klinischen Anwendungen aufweist. In dieser Arbeit zeige ich eine Kombination von UV-Resonanz Raman Spektroskopie (UV-RRS) und flüssigkeitsgefüllten Fasern, um die Sensitivität der Detektion von niedrig konzentrierten Pharmazeutika immens zu verstärken. Diese kombinierte Verstärkungsmethode wurde ebenfalls angewandt, um Blutabbau-Pigmente zu detektieren. Dies kann für die Überwachung von Krankheiten genutzt werden, die mit Hyperbilirubinämie und Hyperbiliverdinämie in Verbindung stehen. Die schlechte optische Qualität von Polymerbasierten flüssigkeitsgefüllten Fasern schränkt deren Leistungsfähigkeit stark ein. Daher wurde der Einsatz von HC-PCFs für zwei verschiedene Lichtleitungsmechanismen untersucht. Erstmalig wurde Wellenleitung im sichtbaren Bereich in beiden flüssigkeitsgefüllten Fasertypen erzielt. Folglich ist die Wellenlänge der Raman-Streuung nicht mehr auf den unempfindlichen NIR-Bereich beschränkt. Um ein FERS-Gerät für die Weiterentwicklung zu realisieren, das leicht zu handhaben und stabil ist, wurden die HC-PCFs bezüglich ihrer Fähigkeit zum Lichteinschluss untersucht. Diese Untersuchung wurde mit Hilfe eines speziell konzipierten Aufbaus für die Raman-spektroskopische chemische Bildgebung durchgeführt. Optimale Faserlänge, Raumfilterung und optische Koppelung wurden sorgfältig ausgewertet und ein automatisches Kopplungssystem wurde entwickelt. Mit der Weiterentwicklung optischer Fasern zeigt FERS steigendes Potential als stabile, schnelle, chemisch selektive und sensitive Messmethode zur Detektion von Biomolekülen in klinischen, pharmazeutischen und biologischen Anwendungen.

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Yan, Di: Fiber-enhanced Raman spectroscopy in aqueous media. Jena 2019.

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