Desenvolvimento e aplicações da técnica espectroscopia Raman anti-stokes coerente multiplex
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Resumo
Diversas técnicas de microscopia óptica com fluorescência, espectroscopia Raman e óptica não linear têm sido usadas para estudo de sistemas biológicos e até em diagnósticos de doenças. Por exemplo, através da espectroscopia Raman convencional pode-se gerar imagens de diferentes proteínas utilizando-se como marcador os modos de vibração característicos desta proteína. Porém devido à baixa eficiência do processo Raman em amostras biológicas, técnicas como CARS (do inglês, Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy) vêm sido utilizadas para a obtenção de imagens livres de marcadores fluorescentes e em tempo real de amostras com modos normais de vibrações caraterísticos. Estas imagens permitem o estudo do funcionamento de órgãos in vivo, o que faz dela uma ferramenta muito útil para estudos aplicados a biologia.
Nesta dissertação tratamos os efeitos ópticos lineares e não lineares, especialmente as teorias as montagens experimentais das técnicas Raman convencional, CARS e Multiplex CARS. CARS e Multiplex CARS são técnicas de espectroscopia Raman estimulado, sendo um caso típico da mistura de quatro ondas (FWM, do inglês four wave mixing). Neste processo, dois feixes de bombeio 𝜔𝑃 e um feixe Stokes 𝜔𝑆 são combinados para gerar outro feixe CARS 𝜔𝐶𝐴𝑅𝑆, onde a energia destes feixes de entrada é selecionada de forma que a diferença entre eles sejam os modos de vibração de uma amostra particular. Implementamos nesta dissertação dois tipos de montagens experimentais de multiplex CARS. Comparamos as duas montagens experimentais utilizando-se amostras de referência (acetonitrila, metanol e acetona) e escolhemos o sistema que melhor se adapta a nossas necessidades para realizar o mapeamento de amostras de poliestireno e tecido biológico. Com os desenvolvimentos feito nesta dissertação, poderemos estudar problemas relacionados a biologia, como por exemplo a detecção de placas de proteína beta-amilóide relacionadas à doença de Alzheimer.
Abstract
Different techniques of optical microscopy such as fluorescence, Raman spectroscopy and nonlinear optical have been used to study biological systems and also to diagnose diseases. For example, conventional Raman spectroscopy can generate images of different proteins using the characteristic vibration modes of this protein as a marker. However, due to the low efficiency of the Raman process in biological samples, techniques such as CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy) have been used to obtain images of fluorescent labels and in real time using molecular vibrations as label. These images allows the study of organ functioning in vivo, which makes it a very useful tool for studies applied to biology.
In this dissertation we deal with linear and non-linear optical effects, especially the theories of conventional Raman and experimental setup, CARS and multiplex CARS techniques. CARS and Multiplex CARS are stimulated Raman techniques, being a case of four wave mixing (FWM). In this process, two pump beams 𝜔𝑃 and one Stokes beam 𝜔𝑆 are combined to generate another CARS 𝜔𝐶𝐴𝑅𝑆 beam, where the energy of these input beams is selected so that the difference between them is the vibration modes of a particular sample. We implemented two types of experimental multiplex CARS experimental setup in this dissertation. We compared the two experimental assemblies using reference samples (acetonitrile, methanol and acetone) and chose the system that best suits our needs for the mapping of samples of polystyrene and biological tissue. With the developments made in this dissertation, we can study problems related to biology, such as the detection of beta-amyloid protein plaques related to Alzheimer's disease.
Assunto
Biofísica, Análise espectral, Espectroscopia de Raman, Óptica não-linear
Palavras-chave
Biofísica, Espectroscopia, Óptica não-linear
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