Transmission Raman Spectrometer design for the detection of opioids, concealed chemicals, and biological threats

Abstract

Raman spectroscopy (RS) is an excellent tool for quantitative and qualitative analysis that can be used to detect and characterize different types of substances. Transmission Raman Spectroscopy (TRS) has been used in agriculture, food chemistry, pharmaceuticals, biomedicine, and other fields. This research aimed to develop a Transmission Raman Spectrometer (TRSr) to detect opioids, concealed chemicals, and biological threats. The advantage of this technique is that the excitation source passes through the sample or its packaging instead of performing the analysis only on the sample's surface. The main components of the TRS were a diode-pumped 532 nm solid-state laser, an imaging spectrometer, a high-efficiency array detector (charge-coupled device), a laser line filter, and an edge Rayleigh filter. In addition, a commercial instrument control, data acquisition, and spectrum display software package (Andor Solis) was used for digitizing the signal, readout the spectral information, and display the Raman spectrum in the computer. A series of experiments were performed to evaluate the system performance and efficiency of the technique and instrumentation. Benzoic acid (BA) was used to test the system resolution, the transmitted intensity, and the signal-to-noise (SNR) ratio. Discrimination capabilities in binary mixtures, among other parameters in TR spectra. In the mixture experiment, the acquired data were examined using principal components analysis (PCA) and quantified by partial least square regression (PLS-S) with Unscrambler X software. The TRSr showed a relatively high resolution, high SNR, fluorescence for some materials, and penetration depth for BA up to 5.90 mm. Characterization of BA was successfully performed. Also, it was possible to acquire spectra when BA was inside other materials, but some were damaged. The discrimination of BA and Sodium Citrate dihydrate (SCD) mixture was possible using the Raman spectra, PCA and PLS-R. For a proof of concept, it was possible to build a model for quantification. Validation of Predicted vs. Reference and Calibration of Predicted vs. Reference plots for responses in (%) BA/SCD tablets showed highly linear responses. TR spectra of liquids compounds were compared satisfactorily with Raman spectra obtained in conventional or backscattering mode found in literature.

La Espectroscopía Raman es una excelente herramienta de análisis cuantitativo y cualitativo para detectar diferentes tipos de sustancias en una muestra. Recientemente, la Espectroscopía Raman se ha utilizado en la agricultura, química alimentaria, productos farmacéuticos, biomedicina, y otros campos. El objetivo de esta investigación es desarrollar un Espectrómetro Raman de Transmisión (TRSr, siglas en inglés) para la detección de opioides, productos químicos ocultos y amenazas biológicas. La ventaja de este método es que la fuente de excitación pasa a través de la muestra en lugar de realizar el análisis sólo en la superficie de la muestra. En este trabajo se utilizó un láser de 532nm continuo de estado sólido bombeado de diodo de Excelsior y un espectrómetro SR-303i-A Shamrock con un detector de multiplicación de electrones de carga acoplado Newton de Andor. El programa Solis se utilizó para digitalizar la señal, la lectura y mostrar el espectro Raman en el equipo. Se realizaron una serie de experimentos en el Raman de Transmisión utilizando ácido benzoico para investigar la resolución, la relación señal-ruido, la intensidad, la discriminación en mezclas, entre otros parámetros. En el experimento de mezcla, los datos adquiridos fueron examinados usando “Principal Component Analysis” y cuantificados por “Partial Least Square Regression” con el software "The Unscrambler X". El “TRSr” mostró una resolución relativamente alta, alta señal-ruido, fluorescencia para algunos materiales y profundidad de penetración para tabletas de BA de hasta 5,90 mm. La caracterización de BA se realizó con éxito, también fue posible adquirir espectros cuando BA estaba dentro de otros materiales, pero algunos fueron dañados. La discriminación de la mezcla de BA y Citrato de Sodio Di-hidratado (SCD) fue posible utilizando los espectros Raman, PCA y PLS-R. Para una prueba de concepto, fue posible construir un modelo de cuantificación. Las gráficas de validación y calibración vs. valores de Referencia para las tabletas de (%) BA/SCD mostraron repuestas sumamente lineales. Los espectros de compuestos líquidos se compararon satisfactoriamente con los espectros Raman obtenidos en modo convencional o retrodispersión que se encuentran en la literatura.