Standoff detection of bacterial endospores by coherent Raman spectroscopy

This thesis project focuses on standoff detection of chemical and biological warfare agents, based upon coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy. The use of ultrashort high energy laser pulses to exploit Raman scattering ensures an enhanced Raman signal, a fast acquisition and scanning of a large area of the sample. CARS spectroscopy has been lately preferred to other Raman techniques for its high sensitivity and very selective spectral resolution in providing molecular fingerprint for species identification. To remove non-resonant background contribution, that is the main drawback of this technique, time-resolved hybrid CARS is exploited. A specific design of the source, by means of non linear optical processes, such as second harmonic generation, optical paramentric amplification, white light continuum generation, is extremely important to achieve broadband and recognizable Raman spectra. The system is used to detect simulants of anthrax bacterium, a dangerous species used as biological weapon not only during world wars but also in the last years. Particular focus is dedicated to measurements on NaDPA salt, present in Bacillus subtilis, the anthrax simulant used in laboratory due to safety reasons. In this frame, an imaging system has been also developed, with the ultimate purpose of building a portable standoff detection system to use in airports or post offices, able to scan objects or surfaces that can be contaminated. By scanning different points of the sample and collecting each corresponding Raman spectrum, is then possible to construct an hyperspectral image with the help of machine learning algorithms. The development and training of the classification algorithm have been integral part of this work.

Questo lavoro di tesi si focalizza sulla rilevazione di sostanze usate come armi chimiche e biologiche, basandosi su spettroscopia Raman coerente di scattering anti-Stokes. L’utilizzo di impulsi laser ultra brevi ad alta energia per promuovere lo scattering Raman assicura un maggiore segnale Raman, una veloce acquisizione e uno scan di un’ampia area del campione. La spettroscopia CARS ultimamente è preferita ad altre tecniche Raman per la sua elevata sensibilità e la sua risoluzione spettrale molto selettiva, permettendo l’identificazione di molecole via fingerprint. Per rimuovere il contributo del background non risonante, che è il principale ostacolo di questa tecnica, è utilizzato CARS ibrido e risolto nel tempo. Uno specifico design della sorgente laser, attraverso processi di ottica non lineare, come generazione di seconda armonica, amplificazione ‘optical parametric’, generazione di luce bianca tramite super continuo, è estremamente importante per raggiungere spettri Raman a banda ampia e riconoscibili. Il sistema è usato per rilevare simulanti del batterio antrace, una specie pericolosa usata come arma biologica non solo durante le guerre mondiali, ma anche negli ultimi anni. Particolare attenzione è dedicata alle misure di sale NaDPA, presente nel Bacillus subtilis, il simulante di antrace usato in laboratorio per ragioni di sicurezza. In questo contesto, è stato sviluppato inoltre un sistema di imaging, con lo scopo finale di costruire un sistema portabile di rilevazione a lunga distanza da usare in aeroporti e uffici postali, in grado di scannerizzare oggetti o superfici che possano essere contaminate. Scannerizzando punti diversi del campione e collezionando ogni spettro Raman corrispondente, è quindi possibile costruire un’immagine iper spettrale con l’aiuto di algoritmi di machine learning. Lo sviluppo e la calibrazione dell’algoritmo di classificazione sono stati parte integrante di questo lavoro.