Progetto di un sistema di acquisizione multicanale a basso rumore e a banda larga per applicazioni di spettroscopia Raman

The aim of this thesis is to design a lock-in based multi-channel acquisition system for Raman Spectroscopy applications. Every organic compounds, cell or tissue, is characterized by a specific vibrational spectrum, also called "Fingerprint", which is a function of the chemical bonds and structures of molecules. Raman spectroscopy is commonly used in chemistry to provide that fingerprint spectrum by which molecules can be identified and analysed. This method is non-contact and label-free, samples interact with a broadband laser beam consisting in sub-20fs pulses with 40MHz repetition rate. The results of this interaction is acquired and amplified by a low noise multi-channel acquisition system in order to produce all the necessary informations for the chemical analysis. A four-channel system has been developed during the thesis. A differential structure based on the lock-in technique was necessary due to the weakness of the received signal. This work was conducted as part of the VIBRA project - Very fast Imaging by Broadband coherent RAman - headed by Dario Polli in the Department of Physics of Politecnico di Milano. The goal is to build an innovative microscope for real-time and non-invasive functional characterization of tissues and cell. Final application concerns cancerous cell differentiation and detection of neuronal tumours. This thesis first examines the physics behind Raman Spectroscopy and perform a noise analysis to determine how laser power, Shot and Thermal Noise play a role in the speed of the measurement. In a second stage, a compact system with 4 low-noise channels is presented and tested. Finally the board is applied to the characterization of a sample and the experimental results are showed.

Il presente lavoro è parte integrante del progetto VIBRA - Very fast Imaging by Broadband coherent RAman, coordinato dal Prof. Dario Polli del dipartimento di fisica del Politecnico di Milano. Esso ha come obiettivo lo sviluppo di un sistema innovativo per la microscopia e spettroscopia in tempo reale, di cellule e tessuti sfruttando lo scattering Raman coerente. Ogni composto organico è caratterizzato da un suo spettro vibrazionale, una sorta di impronta digitale che rispecchia la sua struttura molecolare in modo univoco. Sfruttando questo effetto fisico, il progetto VIBRA punta alla realizzazione di un’apparecchiatura medica volta all’identificazione dei tumori. L’impatto di un tale sistema nel campo della medicina sarebbe notevole perché non solo permetterebbe di effettuare esami istologici in pochi secondi, ma l’esito della misura risulterebbe anche più preciso rispetto alle tecniche convenzionali. Durante un’operazione chirurgica per l’analisi di un possibile tumore maligno si hanno tradizionalmente due fasi: a) una biopsia del tessuto da esaminare e b) la successiva analisi visiva in laboratori specializzati da parte di un medico. Purtroppo però la sua opinione è comunque soggettiva e non sarà mai priva di errori. Con la tecnica proposta nel progetto VIBRA invece, l’analisi può essere portata a termine velocemente e senza errori in quanto, in una sola misura, viene acquisita una dettagliata informazione sulla struttura molecolare del campione. Per riuscirci viene utilizzato un laser a banda larga di recente fabbricazione, capace di generare impulsi dell’ordine del femtosecondo. Questo è uno dei punti di forza del progetto VIBRA. In quest’ambito, la tesi riguarda la progettazione dell’apparato elettronico per acquisire il segnale laser che ha interagito con il campione biologico ed elaborarlo in una forma utile alla successiva analisi tumorale. Date le caratteristiche dei segnali, è stato pensato un sistema di acquisizione multicanale basato sulla tecnica del lock-in, con ottime prestazioni in termini di banda e rumore.