Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR)-Spektroskopie mit erheblich reduzierter Messzeit

Wissenschaftler der PTB stellen neuartige mathematische Technik zur Auswertung einer komprimierten analytischen Messung vor

Das Probeninterferogramm des L. tarentolae-Films ist für Pixel (50, 50) in a) und das entsprechende räumliche Bild der Interferometerposition t / Δt = 1715 in b) gezeigt. Die Interferometerregion um den zentralen Bereich wird in c) vergrößert, und die interessierende Pixeldomäne, die anschließend in der bioanalytischen Fingerabdruckanwendung analysiert wird, ist in der Rekonstruktion der Pixeldomäne in d) als rotes Rechteck dargestellt. © PTB

Die Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR) -Spektroskopie ist eine leistungsstarke Technik in der analytischen Chemie. Typischerweise werden räumlich verteilte Spektren der zu messenden Substanz gleichzeitig unter Verwendung von FTIR-Spektrometern aufgenommen, die mit Array-Detektoren ausgestattet sind. Scanmethoden wie die Nahfeld-FTIR-Spektroskopie sind eine vielversprechende Alternative für eine höhere räumliche Auflösung. Die serielle Aufzeichnung schränkt ihre Anwendung jedoch aufgrund der langen Erfassungszeiten und der daraus resultierenden Stabilitätsprobleme stark ein.

Um solche Messungen zu beschleunigen, wurde eine neuartige mathematische Technik zur niedrigrangigen Matrixrekonstruktion einer komprimierten FTIR-Messung entwickelt. Mit dieser Methode wird die Messzeit der Scanmethoden erheblich reduziert. Um die Methode zu demonstrieren, wurden Daten aus einer Pilotstudie mit biologischen Proben (Leishmania-Stammprotozoen) analysiert, indem nur 5% der Interferometriedaten zufällig ausgewählt wurden. Es wurde gezeigt, dass die Ergebnisse, die für das bioanalytische Fingerabdruckverfahren unter Verwendung des vorgeschlagenen Ansatzes erhalten wurden, im Wesentlichen dieselben sind wie diejenigen, die aus dem vollständigen Datensatz erhalten wurden. Dieser Befund kann die praktische Anwendbarkeit hochauflösender serieller Abtasttechniken in der analytischen Chemie erheblich fördern, und es wird auch erwartet, dass andere Anwendungen der FTIR-Spektroskopie und -Spektromikroskopie verbessert werden. Eine Open-Source-Python-Bibliothek ermöglicht die einfache Verwendung der Methode.

Die Forschung wurde von den Arbeitsgruppen „Datenanalyse und Messunsicherheit“ und „IR-Spektrometrie“ in Zusammenarbeit mit der Freien Universität Berlin (AG Prof. Rühl) im Rahmen des DFG-Projekts „Bayesian Compressed Sensing“ (EL 492 / 1-1, RU 420 / 13-1) durchgeführt.

Publikation:

Compressed FTIR spectroscopy using low-rank matrix reconstruction
M. Marschall, A. Hornemann, G. Wübbeler, A. Hoehl, E. Rühl, B. Kästner, and C. Elster
Opt. Express 28, 38762 (2020)

Ansprechpartner:

Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Bernd Kästner
Arbeitsgruppe 7.11 IR-Spektrometrie
E-Mail: Bernd.Kaestner(at)ptb.de

Manuel Marschall
Arbeitsgruppe 8.42 Datenanalyse und Messunsicherheit
E-Mail: Manuel.Marschall(at)ptb.de

www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt7.html