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Título: Spectroscopic analysis of fractal scattering and hidden layers in complex scattering samples
Autores: Pandozzi, Fabiano
Fecha: 2012
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Chemistry - Analytical
Descripción: Near-infrared optical spectroscopic measurement of samples is an important analytical tool for the determination of properties such as particle size, chromophore composition, and concentration. This information is invaluable for sample assessment in pharmaceutical, agricultural, and environmental areas. However, samples often exhibit significant light scattering, which complicates measurements. This thesis investigates chemometric approaches including power law and component analysis methods to extract useful sample information from data, while simplified instrumentation is developed to facilitate the acquisition of meaningful data. Photon time-of-flight (TOF) techniques allow sample optical properties to be estimated using temporally resolved measurements of short pulses of light. However, highly scattering samples, such as granular powders, are difficult to model. The shape of photon TOF profiles is largely influenced by the properties of these samples. A power law analysis technique was used to study TOF profiles, and a method was developed that could simultaneously determine analyte concentration and particle size. Compared to traditional steady-state measurements, a 3-fold improvement for absorption coefficient and up to a 5-fold improvement for particle size estimates was achieved. This analysis technique is applicable to a variety of areas including pharmaceutics, cosmetics, and chemical production. While methods exist for studying the optical properties of homogeneous optically scattering samples, those containing multiple layers present an interesting challenge for analysis. Spatially resolved measurements from layered samples contain information about the different layers present. However, complications arise when the layer to be probed is non-scattering. In a diffuse reflectance configuration, this type of layer does not provide information in the same way scattering layers do. An analysis technique was developed that allowed the separation of absorption and scattering components for such a layered sample. Accurate estimates of chromophore concentration were attained, even when an overlaying scattering layer had thicknesses that varied between 1 and 8 mm. This method has practical applications for medical, environmental, and industrial applications. A novel self-calibrating technique was developed for the estimation of absorbing species in a non-scattering layer embedded in a non-uniform scattering matrix. Spatially-resolved, steady-state, multispectral data were acquired from an optical head phantom with realistic topographical and optical properties. Experimental and mathematical techniques were developed that allowed accurate estimates of chromophore concentration. A limit of detection corresponding to 5 µL of blood in a volume of 150 ml of CSF was achieved. This system and technique can be useful for noninvasive medical measurements, especially cerebral bleed detection. The work presented in this thesis details key improvements for the spectroscopic analysis of homogenous and layered scattering samples. Each of these advancements represents a further development of our existing spectroscopic knowledge. Of particular interest within the medical community is the self-calibrating work, which can be used to developed noninvasive diagnostic techniques aimed at improving patient care.
La mesure par spectroscopie optique proche infrarouge est un outil d'analyse important pour déterminer les caractéristiques d'un milieu tel la dimension des particules, l'identification de chromophore, et leur concentration. Cette information est de valeur critique pour l'évaluation d'échantillons dans les domaines pharmaceutiques, d'agriculture et environnementaux. Certains échantillons, par contre, diffusent la lumière considérablement, compliquant la mesure. Cette thèse de doctorat examine des méthodes chimiométries comprenant les règles de puissance et les analyses de composante pour extraire de l'information utile d'échantillons à partir des données, alors que l'instrumentation simplifiée est développée pour faciliter l'acquisition des données signicatives. Les techniques utilisant le temps de vol (TDV) des photons permettent de jauger les propriétés visuelles d'échantillons en utilisant la mesure temporale résolue de courtes pulsations de lumière. Il est difficile, par contre, de trouver un modèle pour les milieux à haute diffusion telles les poudres granuleuses. La configuration du profile du TDV photonique est, en grande partie, influencé par les propriétés de l'échantillon. Une analyse des règles de puissance mathématiques fut utilisée afin d'étudier les profiles du TDV, et une méthode fut développée qui pouvait, simultanément, déterminer la concentration des substances sous analyse ainsi que la grandeur des particules. Comparé aux mesures uniformes de fonctionnement traditionnelles, les estimations du coefficient d'absorption futs amélioré par 3 fois et les estimations de grandeurs ont été améliorées par 5 fois. Cette technique d'analyse s'applique à des domaines variés telle la production de produits pharmaceutiques, cosmétiques et chimiques. Quoique des méthodes existent pour étudier les propriétés optiques de substances homogènes à caractères diffusants, les substances ayant de multiples couches présentent un défi d'analyse intéressant. Les mesures faites à des points variés sur l'échantillon à multiples couches donnent de l'information sur les différentes couches présentes. Par contre, la situation se complique lorsque la couche qui doit être sondée n'est pas diffusante. Une couche ayant un facteur de réflexion atténuée, ne révèle pas d'information de la même façon qu'une couche diffusante. Une technique d'analyse fut élaborée qui a permis la séparation des composants d'absorption et diffusants pour ce genre d'échantillon à couche multiple. Des estimations précises de la concentration chromophore ont été obtenues, même lorsque la couche supérieure avait une épaisseur qui variait de 1 à 8 mm. Cette méthode a une utilité pratique dans les domaines médicaux, environnementaux et industriels.Une technique à auto-calibration inusitée fut développée pour estimer les espèces absorbantes dans une couche non diffusante incorporée dans une matrice diffusante dissemblable. Des données multispectrales à point variées, et avec lumière continue ont été obtenues d'une tête optique fantôme ayant des propriétés topographiques et optiques réalistes. Des techniques expérimentales et mathématiques futs développées qui on permit des estimations précises de la concentration chromophore. Une limite de détection correspondant à 5 µL de sang dans un volume de 150 ml de liquide céphalorachidien fut atteinte. Ce système et cette technique peuvent être utiles pour les mesures médicales non invasives, plus précisément pour la détection de saignement cérébrale.Le travail présenté dans cette thèse de doctorat explique les améliorations saillantes pour l'analyse spectroscopique d'échantillons diffusants homogènes et à couches multiples. Chaque amélioration représente une augmentation de nos connaissances de la spectroscopie. La technique à auto-calibration est particulièrement intéressante pour la communauté médicale, car elle peut être utilisée pour développer des techniques non invasives pouvant améliorer le soin de patients.
Idioma: en