Spectroscopie Raman de tissus biologiques dans le domaine temporel

La spectroscopie Raman est un outil d'imagerie optique à la popularité grandissante pour le diagnostic du cancer. Il exploite la diffusion inélastique pour identifier la composition moléculaire d'un échantillon. Or, la probabilité d'occurrence de cette diffusion étant très faible, dans des environnements à la composition moléculaire complexe elle est très souvent masquée par un autre phénomène résultant de l'interaction lumière - matière : la fluorescence. C'est particulièrement le cas dans les tissus biologiques qui contiennent naturellement une quantité importante de molécules émettrices de fluorescence. Pour isoler le spectre Raman, on a le plus souvent recours à des algorithmes mathématiques, dont la portée reste limitée. Une méthode prometteuse pour supprimer l'effet de la fluorescence est l'utilisation du domaine temporel. Elle se base sur la différence de profil temporel entre les deux phénomènes pour rejeter la fluorescence et isoler le Raman. Le comptage de photon unique corrélée dans le temps est une technique communément utilisée pour la mesure du temps de vie de fluorescence. Grâce à l'arrivée récente de détecteurs à photon unique ultra rapide, plusieurs systèmes de spectroscopie Raman en temporel ont été développés à partir de cette technologie. Cependant, elle n'a encore jamais été testée sur des tissus biologiques. Ce projet consiste donc à évaluer la pertinence de la spectroscopie Raman en temporel dans le contexte biomédical de la reconnaissance moléculaire de tissus. Un premier système, utilisant un laser à lumière visible, a été conçu. À l'aide d'un détecteur à la commande ultra-rapide, il a été capable de réduire l'importante fluorescence émise à ces mêmes longueurs d'onde sur un morceau de viande de bœuf par l'application d'une fenêtre temporelle, laissant ainsi apparaître des pics Raman caractéristiques de l'échantillon. De plus, il a été démontré que la réduction progressive du signal de fond, majoritairement composé de fluorescence, permet d'augmenter la qualité des spectres Raman comparativement au seul traitement mathématique. Un second système a alors été développé avec, cette fois, une source dans le proche infrarouge, dans le but de comparer les résultats avec un système de spectroscopie Raman conventionnel, qui utilise cette même plage spectrale. Combinant de manière inédite la mesure dans le domaine de Fourier et le comptage de photon unique corrélé dans le temps, ce nouveau système a démontré une importante réduction du signal de fond ainsi qu'une bonne correspondance avec les résultats du système conventionnel sur des échantillons biologiques.

Abstract

Raman spectroscopy is an increasingly popular optical imaging tool for cancer diagnostic. It exploits inelastic scattering to identify the molecular composition of a sample. However, since the probability of occurrence of this scattering is very low, in environments with a complex molecular composition it is very often masked by another light - matter interaction: the fluorescence. This is particularly the case in biological tissues which naturally contain a significant number of fluorescence-emitting molecules. To isolate the Raman spectrum, we most often use mathematical algorithms, which remains limited. One promising method to suppress the effect of fluorescence is the use of the time domain. It is based on the difference in temporal profile between the two phenomena to reject fluorescence and isolate Raman. Time correlated single photon counting is a commonly used technique for measuring fluorescence lifetimes. With the recent arrival of ultra-fast single-photon sensors, several time-based Raman spectroscopy systems have been developed based on this technology. However, it has never been tested in biological tissue before. This project therefore consists in evaluating the relevance of time-domain Raman spectroscopy in the biomedical context of tissue recognition. A first system, using a visible light laser, has been designed. Using an ultra-fast controlled detector, it was able to reduce the large fluorescence emitted at these same wavelengths on a piece of beef by applying a time window, thus revealing Raman peaks characteristic of the sample. In addition, it has been shown that the gradual reduction of the background signal, mainly composed of fluorescence, makes it possible to increase the quality of Raman spectra when compared with a solely algorithmic approach. A second system was then developed with, this time, a source in the near infrared, in order to compare the results with a conventional Raman spectroscopy system, which uses this same spectral range. Combining in an unprecedented way the measurement in the Fourier domain and the time-correlated single photon counting, this new system demonstrated a significant reduction of the background signal as well as a good correspondence with the results of the conventional system on biological samples.