Optimizing liquid analysis with QCL-based multi-pathlength Mid-IR spectroscopy

Abstract

Mid-infrared spectroscopy with a fixed transmission pathlength represents a well-established methodology for the analysis of solutes in liquids. The choice of the pathlength to be used is governed mainly by the solvent absorption in the spectral region of interest. For achieving highest sensitivity large pathlength are preferred. However, the achievable maximum pathlength is dictated by the solvent absorption. As this background absorption is strongly varying across the spectral range of interest, a compromise needs to be made when choosing the pathlength to be employed that balances the need for high sensitivity with the aim of enabling measurements in a broad spectral range without facing total solvent absorption. The use of highly absorbing matrices, such as water, restricts the optical pathlength to a minimum. This is especially important as water is abundant, non-toxic, environmentally friendly and naturally the most relevant solvent for biological samples. Unfortunately, the measurement of peptides and proteins in aqueous solution is especially challenging as the amide I (1700–1600 cm-1) band, which contains information about the secondary structure of proteins, is overlapping with the bending vibration of water dictating very short pathlength in that range despite the fact that longer pathlengths could be tolerated in spectral region of reduced water absorption. This study presents the development and validation process of a novel external cavity quantum cascade laser-based multi-pathlength spectroscopic setup equipped with a wedge-shaped transmission flow cell and a pyroelectric array detector for mid-infrard spectroscopy. The main innovation lies in the wedge-shaped transmission cell, which allows for simultaneous measurement of liquids across multiple pathlengths. The measurements, conducted with caffeine in ethanol and aqueous solutions of caffeine and bovine serum albumin, demonstrated the benefit of simultaneous measurement of multiple pathlengths in two ways. Firstly, the effective dynamic range of the setup, which is typically constrained by the pyroelectric detectors' dynamic range, was increased by allowing the data to be selected for each wavenumber with a distinct pathlength. Secondly, it was demonstrated that a higher signal-to-noise ratio could be achieved with the presented setup by averaging the spectra at their optimal pathlengths, in comparison to spectra at constant pathlengths with the same setup. In order to select the optimal pathlength, the pathlength-to-noise ratio (PNR), was introduced. This new metric allows for the inclusion of the influence of the variable pathlength on the detectability of a substance while maintaining low noise levels. The presented proof of concept for this novel setup should serve as a starting point for further refinements of the concept which could lead to improvements when performing mid-IR spectroscopic measurements of liquids and in particular of solutes in aqueous solutions.

Die Infrarot-Spektroskopie mit konstanter optischer Weglänge ist eine weit etablierte Methode zur Analyse von gelösten Stoffen in Flüssigkeiten. Die Wahl der zu verwendenden Schichtdicke richtet sich hauptsächlich nach der Absorption des Lösungsmittels im betreffenden Spektralbereich. Um eine hohe Empfindlichkeit zu gewährleisten, wird der Einsatz von großen Schichtdicken bevorzugt. Die maximal einsetzbare Schichtdicke wird jedoch von der Absorption des Lösungsmittels bestimmt. Da diese Hintergrundabsorption über den entsprechenden Spektralbereich stark variieren kann, muss bei der Wahl der Schichtdicke ein Kompromiss zwischen der erforderlichen Empfindlichkeit und dem Ermöglichen von Messungen eines breiten Spektralbereichs, ohne dass es zur vollständigen Absorption durch das Lösungsmittel kommt, gefunden werden. Die Verwendung von stark absorbierenden Lösungsmitteln wie Wasser schränkt die geeignete Schichtdicke auf ein Minimum ein. Da Wasser jedoch das wichtigste Lösungsmittel von biologischen Proben darstellt, ist die Messung von Peptiden und Proteinen oft eine Herausforderung. Die Amid I-Bande (1700–1600 cm-1) von Proteinen, welche Informationen über die Sekundärstruktur von Proteinen enthält, überschneidet sich mit der Biegeschwingung von Wasser. Aus diesem Grund muss die optische Weglänge in diesem Bereich sehr kurz gewählt werden, obwohl in Spektralbereichen mit geringerer Wasserabsorption längere Weglängen toleriert werden könnten.In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Validierung eines auf einem Quantenkaskaden-laser basierenden spektroskopischen Messaufbaus vorgestellt, welcher mit einer keilförmigen Transmissions-Flusszelle und einem pyroelektrischen Array-Detektor ausgestattet ist. Die Hauptinnovation liegt in der keilförmigen Flusszelle, die eine Messung von Flüssigkeiten über mehrere Schichtdicken ermöglicht. Die Messungen wurden von Koffein in Ethanol und wässrigen Lösungen von Koffein und Rinderserumalbumin durchgeführt und zeigten die Vorteile der simultanen Messung mehrerer Schichtdicken in zweierlei Hinsicht. Erstens wurde der effektive dynamische Bereich des Aufbaus, der normalerweise durch den dynamischen Bereich der pyroelektrischen Detektoren bestimmt ist, vergrößert, indem die Daten für jede Wellenzahl mit einer bestimmten Weglänge selektiert werden konnten. Zweitens wurde gezeigt, dass mit dem vorgestellten Aufbau ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden kann als im Vergleich zu Spektren bei konstanten Pfadlängen mit demselben Aufbau, indem die Spektren bei ihren optimalen Pfadlängen gemittelt werden. Um die optimale Weglänge auszuwählen, wurde das Weglängen-Rausch-Verhältnis eingeführt, um den Einfluss der variablen Weglänge bei gleichzeitiger Beibehaltung niedriger Rauschwerte zu berücksichtigen. Der vorgestellte Aufbau sollte als Ausgangspunkt für die weitere Verfeinerungen des Konzepts dienen, die zu Verbesserungen von spektroskopischen Messungen im mittleren IR-Bereich von Flüssigkeiten, insbesondere von gelösten Stoffen in wässrigen Lösungen, führen.