Publication: New spectroscopic techniques and architectures for environmental and biomedical applications
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Publication date
2015-09
Defense date
2015-09-16
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Abstract
The range of application of spectroscopic instruments is so broad nowadays that encompasses various areas of engineering, industry and scientific research. Consequently, different techniques and spectral analysis methods have been developed for the characterization of the numerous samples regularly targeted by spectroscopic sensors. In this doctoral dissertation, contributions have been made to virtually all of the main components that make up spectroscopic systems.
Different methods, architectures and spectral data analysis algorithms have been proposed for environmental and biomedical applications particularly. In this way, novel techniques and architectures for molecular spectroscopy based on the measurement of optical dispersion have been presented (unlike most of the current methods that are based on the measurement of absorption). This approach, whereas maintain a reasonably low level of complexity, overcomes most of the limitations associated to absorption-based methods, providing an improved performance in some areas of the analyzers. Even though two of the proposed architectures for the estimation of gas concentration are based on the use of tunable lasers for the characterization of the spectral profile of the sample in the vicinity of an absorption feature, the best performances have been obtained using a dual-comb source. In fact, the development of new robust architectures for dual-comb spectrometers based on combs synthetized by the modulation of continuous wave lasers has been one of the main lines of work of this thesis. Although having a narrower spectral coverage than traditional combs, these sources provide far lower costs and complexity and the robustness of the generators is far higher. Most of the efforts have been made towards the developments of the new dual-comb architectures that allow to take advantage of the use comb-based systems out of the metrology laboratory. Finally, contributions on the integration of complete spectroscopic instrumentation systems, including spectral analysis techniques based on Blind Signal Separation have been made. For that, a non-invasive biomedical spectroscopic instrument has been developed and used as a benchmark to study the viability of diffuse spectroscopic methods and spectral data classification techniques in the monitoring of the state of angiogenesis of a bioengineered skin substitute.
El ámbito de aplicación de la instrumentación basada en espectroscopÃa es tan amplio que abarca áreas de ingenierÃa, de la industrial y de investigación cientÃfica. De este modo, diferentes técnicas espectroscópicas y de análisis espectral han sido desarrolladas para la caracterización y medida de los numerosos objetivos que son habitualmente estudiados por sensores espectroscópicos. En esta tesis doctoral, se han realizado contribuciones en, prácticamente, todos los bloques constituyentes de un sistema de espectroscopÃa. Distintas técnicas, arquitecturas y algoritmos de análisis espectral han sido propuestos, principalmente, para aplicaciones ambientales y biomédicas. Han sido presentadas nuevas técnicas y arquitecturas para espectroscopÃa molecular basadas en la medida de la dispersión óptica, a diferencia de la gran mayorÃa de los sensores actuales que basan su funcionamiento en la medida de absorción. Esta aproximación mantiene unos niveles de complejidad de implementación razonablemente reducidos; a la vez que, soluciona la mayorÃa de limitaciones asociadas con los métodos basados en absorción óptica; proporcionando, además, mejores prestaciones en muchas de las áreas de funcionamiento de los analizadores moleculares. Aunque algunas de las arquitecturas que se proponen en esta tesis están basadas en la utilización de diodos sintonizables en frecuencia para la caracterización del perfil espectral de gases en las inmediaciones de transiciones moleculares, los mejores resultados se han obtenido con la utilización de fuentes duales de peines de frecuencias ópticas (dual-OFCs). De hecho, el desarrollo de arquitecturas robustas para espectrómetros basados en dual-OFCs, generados a partir de la modulación de un láser de onda continua ha sido una de las lÃneas principales de investigación de esta tesis. Aunque presentan una menor cobertura espectral, estas fuentes ópticas poseen niveles mucho más reducidos de coste y complejidad que los esquemas clásicos, proporcionando una gran robustez. Los principales esfuerzos de este trabajo se han dirigido a aprovechar dicha robustez para el desarrollo de nuevas arquitecturas, que permitan aprovechar las caracterÃsticas de los peines de frecuencias ópticas en sensores desplegables fuera de un laboratorio de metrologÃa. Del mismo modo, se han realizado contribuciones en la integración de sistemas de instrumentación espectroscópica, incluyendo técnicas de análisis espectral basadas en Separación Ciega de Fuentes. Por ello, un instrumento espectroscópico no invasivo ha sido desarrollado para ser utilizado como banco de pruebas en un estudio de la viabilidad de la utilización de métodos de espectroscopÃa difusa y de clasificación de datos espectrales para la monitorización del estado de angiogénesis de injertos de piel artificial.
El ámbito de aplicación de la instrumentación basada en espectroscopÃa es tan amplio que abarca áreas de ingenierÃa, de la industrial y de investigación cientÃfica. De este modo, diferentes técnicas espectroscópicas y de análisis espectral han sido desarrolladas para la caracterización y medida de los numerosos objetivos que son habitualmente estudiados por sensores espectroscópicos. En esta tesis doctoral, se han realizado contribuciones en, prácticamente, todos los bloques constituyentes de un sistema de espectroscopÃa. Distintas técnicas, arquitecturas y algoritmos de análisis espectral han sido propuestos, principalmente, para aplicaciones ambientales y biomédicas. Han sido presentadas nuevas técnicas y arquitecturas para espectroscopÃa molecular basadas en la medida de la dispersión óptica, a diferencia de la gran mayorÃa de los sensores actuales que basan su funcionamiento en la medida de absorción. Esta aproximación mantiene unos niveles de complejidad de implementación razonablemente reducidos; a la vez que, soluciona la mayorÃa de limitaciones asociadas con los métodos basados en absorción óptica; proporcionando, además, mejores prestaciones en muchas de las áreas de funcionamiento de los analizadores moleculares. Aunque algunas de las arquitecturas que se proponen en esta tesis están basadas en la utilización de diodos sintonizables en frecuencia para la caracterización del perfil espectral de gases en las inmediaciones de transiciones moleculares, los mejores resultados se han obtenido con la utilización de fuentes duales de peines de frecuencias ópticas (dual-OFCs). De hecho, el desarrollo de arquitecturas robustas para espectrómetros basados en dual-OFCs, generados a partir de la modulación de un láser de onda continua ha sido una de las lÃneas principales de investigación de esta tesis. Aunque presentan una menor cobertura espectral, estas fuentes ópticas poseen niveles mucho más reducidos de coste y complejidad que los esquemas clásicos, proporcionando una gran robustez. Los principales esfuerzos de este trabajo se han dirigido a aprovechar dicha robustez para el desarrollo de nuevas arquitecturas, que permitan aprovechar las caracterÃsticas de los peines de frecuencias ópticas en sensores desplegables fuera de un laboratorio de metrologÃa. Del mismo modo, se han realizado contribuciones en la integración de sistemas de instrumentación espectroscópica, incluyendo técnicas de análisis espectral basadas en Separación Ciega de Fuentes. Por ello, un instrumento espectroscópico no invasivo ha sido desarrollado para ser utilizado como banco de pruebas en un estudio de la viabilidad de la utilización de métodos de espectroscopÃa difusa y de clasificación de datos espectrales para la monitorización del estado de angiogénesis de injertos de piel artificial.
Description
Mención Internacional en el tÃtulo de doctor
Keywords
Spectroscopic instruments, Spectral analysis, Environmental applications, Biomedical applications