Name: Caracterización de espectros de absorción biológica que abarcan desde el visible hasta el infrarrojo de onda corta (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-01-10T13:10:00.000+00:00
Duration: 7 min 38 s
Description: Aprenda a caracterizar espectros de absorción VIS-SWIR en muestras biológicas usando hemoglobina oxigenada y desoxigenada. Este método mejora el diagnóstico óptico en salud materna al minimizar sesgos por melanina.

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<meta charset="utf8"></head><body>Optimización de la espectroscopia VIS-SWIR para moléculas biológicas

<ol><li>Cao, Q., Zhegalova, N. G., Wang, S. T., Akers, W. J., Berezin, M. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multispectral+imaging+in+the+extended+near-infrared+window+based+on+endogenous+chromophores%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Multispectral imaging in the extended near-infrared window based on endogenous chromophores.</a> J Biomed Opt. 18 (10), 101318(2013).</li>
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</ol>

<table><tbody><tr><td>0,22 y micro; jeringa de diámetro m Filtros</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>SLGPM33RS</td><td></td></tr><tr><td>1000 &micro; L Pipeta</td><td>Millipore Sigma</td><td>EP3124000121</td><td></td></tr><tr><td>200 &micro; L Pipeta</td><td>Millipore Sigma</td><td>EP3124000083</td><td></td></tr><tr><td>Tubos Cónicos</td><td>Avantor VWR</td><td>21008-089</td><td></td></tr><tr><td>Aceite de maíz</td><td>Happy Belly</td><td>n/a</td><td>48 onzas</td></tr> líquidas <tr><td>Óxido de deuterio Cambridge</td><td>Isotope Laboratories</td><td>DLM-4-100</td><td></td></tr><tr><td>Óxido de deuterio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7789-20-0</td><td></td></tr><tr><td>Dimetilsulfóxido (DMSO)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D5879-1L</td><td></td></tr><tr><td>Jeringa Desechable 1 mL</td><td>BH Supplies</td><td>BH1LL</td><td></td></tr><tr><td>Aguja Desechable</td><td>Atshuhut/Amazon</td><td>66941</td><td></td></tr><tr><td>Congelador (-80 &deg; c)</td> <td>Fisher Scientific</td><td>IUE386FARK</td><td></td></tr><tr><td>vasos de precipitados de vidrio</td><td>Millipore Sigma</td><td>CLS1000PACK</td><td></td></tr><tr><td>cubetas de vidrio o cuarzo</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z802875-1EA</td><td>700 &micro; Volumen L</td></tr><tr><td>Cubetas de vidrio o cuarzo</td><td>Thorlabs CV10Q35EP</td><td></td><td>3500 mL volumen</td></tr><tr><td>Sangre humana heparinizada</td><td></td> Tubos de microcentrífuga de <td>Lampire</td> 7203710 <td></td></tr><tr><td></td><td>Costar</td><td>3213</td><td></td></tr><tr><td>Microcentrífuga--accuSpin Micro 17</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-100-675</td><td></td></tr><tr><td>MilliQ Millipore de agua</td><td>Sigma</td><td>ZMQSP0D01</td><td></td></tr><tr><td>Bombilla halógena OSRAM FCS 64640 150 W 24 V HLX</td><td></td> Amazon <td></td> B0001221DG <td></td></tr><tr><td>Parafilm</td><td>Millipore Sigma</td><td></td> HS234526B <td></td></tr><tr><td>Puntas de pipeta</td><td>Eppendorf</td><td>22492055</td><td></td></tr><tr><td>Melanina sintética en polvo</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>8049-97-6</td><td></td></tr><tr><td>Escala</td><td>Sartorius</td><td>UX-11976-09</td><td></td></tr><tr><td>Ditionito</td> <td>de sodioSigma-Aldrich</td><td>1065070500</td><td></td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>Fisher Scientific</td><td>CPX1800</td><td></td></tr><tr><td>Espátula&nbsp;</td><td>Aozita</td><td>000 00 0 1 2 3</td><td></td></tr><tr><td>Espectrofotómetro UV/VIS/SWIR Sistemas</td><td>de instrumentos en línea</td><td>Olis Cary 14</td><td></td></tr><tr><td>Barcos de pesaje Amazon</td><td></td><td>&nbsp; </td><td></td>B07M5RMNPF</tr></tbody></table>

caracterización de espectros de absorción biológica que abarcan desde el visible hasta el infrarrojo de onda corta

Characterization of Biological Absorption Spectra Spanning the Visible to the Short-Wave Infrared

Los datos están disponibles a través del Repositorio de Materiales de Investigación Digital (DRMR) de WUSTL doi: https://doi.org/10.7936/6RXS-108249
Caracterización espectral del agua El agua, uno de los absorbentes biológicos más comunes, tiene picos característicos y altamente absorbentes en el NIR y el SWIR. Estos picos característicos son tan fuertes que al medir la absorbancia del agua, a menudo debe diluirse con agua deuterada para evitar la saturación. La diferencia en la absorbancia entre el agua y el agua deuterada se muestra en la Figura 3, destacando un aumento de más de un orden de magnitud en la absorbancia del agua sobre el agua deuterada. La fuerte absorción de agua en el SWIR también dificulta la obtención de los espectros de absorción de otros absorbentes biológicos que contienen agua en la muestra o que utilizan agua como disolvente y referencia. Como solución a este problema, se puede utilizar agua deuterada en lugar de agua. El agua deuterada actúa de manera similar al agua, aunque es un absorbente SWIR mucho más débil, lo que la convierte en un reemplazo ideal para el agua en las mediciones de espectroscopia SWIR.
Para medir el espectro de absorción del agua, se utilizó agua como muestra y agua deuterada como referencia. Para evitar la saturación en el SWIR, la muestra se diluyó con agua deuterada en la región SWIR. El espectro de absorción de agua resultante muestra una baja absorción en el VIS, que aumenta a longitudes de onda más largas. Los picos de absorción característicos se pueden ver aproximadamente a 750 nm, 970 nm, 1.200 nm y 1.450 nm (Figura 4). El espectro de agua resultante tiene una SNR de 3536.6 y se comparó con el espectro de absorción de agua20 de Hale y Querry, mostrando una curva de absorción similar de ~500 nm a 1,600 nm. Sin embargo, de 400 a 500 nm, las curvas de absorción difieren, con Hale y Querry mostrando un valor de absorbancia más alto a longitudes de onda más bajas. Esta diferencia podría deberse a pequeñas partículas residuales en el agua que tendrán una mayor dispersión en longitudes de onda más cortas en comparación con longitudes de onda más largas3 y puede invalidar las suposiciones de que no hay dispersión en las mediciones de absorción basadas en la ley de Beer-Lambert.
Caracterización espectral de la melanina La melanina, el principal absorbente óptico de la piel, se caracterizó espectralmente utilizando melanina en polvo como muestra y DMSO como disolvente y referencia. El espectro resultante tiene una SNR de 172 y se comparó con los datos de eumelanina de Sarna et al.21,22 y Crippa et al.23 (Figura 5). La eumelanina es el pigmento principal responsable del color de la piel y, por lo tanto, proporciona los datos más precisos sobre cómo la melanina afectará a los dispositivos ópticos. El espectro recolectado mediante el protocolo descrito en este trabajo muestra una alta correlación con estos valores de la literatura.
Caracterización espectral del aceite de maíz Para investigar el espectro de absorción de un lípido, se eligió el aceite de maíz debido a su mínima dispersión óptica en comparación con otros lípidos y su conocida similitud en la composición química con las grasas animales1. Para tomar el espectro de absorción del aceite de maíz, se utilizó aceite de maíz como muestra con aire como referencia. Como se ve en la Figura 6, el espectro del aceite de maíz contiene picos característicos a aproximadamente 930 nm, 1.210 nm y 1.410 nm. El espectro de aceite de maíz resultante tiene un SNR de 10363.1 y se superpuso con el espectro de aceite de maíz1 de Cao et al., mostrando una fuerte correlación.
Caracterización espectral de hemoglobina oxigenada y desoxigenada Si bien la caracterización de la absorción de hemoglobina oxigenada y desoxigenada es una de las hazañas más importantes en óptica biomédica, sus espectros de absorción que abarcan desde el VIS hasta el SWIR siguen siendo poco conocidos. Uno de los aspectos más desafiantes para determinar el espectro de absorción de hemoglobina oxigenada y desoxigenada en el SWIR es la eliminación del agua en la sangre, lo que abruma la absorción de hemoglobina relativamente pequeña. Para desenredar la absorbancia de la hemoglobina y el agua, primero se aisló la hemoglobina de la sangre entera humana mediante centrifugación y se eliminó el sobrenadante y se reemplazó con agua deuterada. También se utilizó como referencia el agua deuterada y el disolvente en el que se reconstituyó la hemoglobina para provocar el estallido hipotónico. Como se muestra en la Figura 3, el agua deuterada tiene una absorción óptica mucho menor que el agua, lo que la convierte en un solvente ideal y una referencia para las mediciones de absorción SWIR. El espectro de hemoglobina oxigenada resultante abarca desde el VIS hasta el SWIR con una SNR de 23118.7 y coincide muy estrechamente conel espectro de  hemoglobina oxigenada 4 publicado por Prahl (Figura 7). En el VIS, el espectro de hemoglobina oxigenada muestra una alta absorción con picos de absorción característicos de aproximadamente 415 nm y un pico doblete de aproximadamente 540 a 575 nm. En el NIR, el espectro de la hemoglobina oxigenada muestra un pico característico que abarca un rango más amplio de longitudes de onda, aproximadamente de 800 nm a 1.100 nm. En el SWIR, la absorción de hemoglobina es baja. Sin embargo, desde aproximadamente 1.400 nm a 1.600 nm, el espectro de la hemoglobina muestra una mayor absorción con picos, probablemente debido al agua en la hemoglobina que no pudo eliminarse por completo durante el proceso de centrifugación.
Para la hemoglobina desoxigenada, se agregó ditionito de sodio a la solución de hemoglobina para introducir la disociación del dioxígeno de la hemoglobina oxigenada y convertir la muestra en hemoglobina desoxigenada. El espectro resultante tiene una SNR de 9813.9 y se comparó con el espectro de hemoglobina desoxigenada de Prahl y muestra una correlación muy fuerte entre 400 nm y 1,000 nm4  (Figura 8). El espectro de hemoglobina desoxigenada resultante muestra picos de absorción característicos a aproximadamente 430 nm, 560 nm y 760 nm. Después de esto, la absorción de hemoglobina desoxigenada disminuye, pero contiene picos de absorción más pequeños alrededor de 1.200 nm y de 1.400 nm a 1.600 nm. Es probable que la absorbancia entre 1.400 y 1.600 nm se deba al agua que no se eliminó completamente de la muestra de hemoglobina durante el proceso de centrifugación.
Comparación de absorbentes biológicos del VIS-SWIR En la Figura 9 se muestran los espectros VIS-SWIR completos de todos los absorbentes biológicos caracterizados en este protocolo, escalados en función de su concentración biológica en el tejido2, que ponen de manifiesto las distintas diferencias espectrales entre los absorbentes biológicos. Por ejemplo, la melanina, la hemoglobina oxigenada y la hemoglobina desoxigenada tienen una absorción fuerte y característica en el VIS que generalmente disminuye con la longitud de onda, mientras que el agua y los lípidos muestran picos característicos en el NIR y el SWIR. En el tejido biológico, la combinación de disminuciones en la melanina y la hemoglobina, así como disminuciones en la dispersión óptica, proporciona una mayor profundidad de penetración óptica en el NIR y SWIR. Además, la absorción reducida de melanina del NIR y el SWIR permiten la investigación óptica de la hemoglobina, los lípidos y el agua oxigenados y desoxigenados con efectos mínimos debido a la pigmentación de la piel.
<img alt="Espectros de absorbancia de cromóforos biológicos, gráfico comparativo de melanina, HbO2, Hb, lípidos, agua." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig01.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 1"> 
Figura 1: Espectros publicados anteriormente de absorbentes biológicos comunes a través del UV al SWIR. Los espectros de hemoglobina oxigenada y desoxigenada se graficaron utilizando datos de Prahl4. El espectro de melanina se graficó utilizando datos de Sarna21 y Crippa23. El espectro lipídico se trazó utilizando datos de van Veen24. El espectro del agua se trazó utilizando datos de Hale y Querry20. Abreviatura: SWIR = infrarrojo de onda corta. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig01large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Muestra de sangre de laboratorio en vial rojo, análisis bioquímico, configuración de experimentos de investigación médica." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig02.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 2"> 
Figura 2: Foto del sobrenadante y la bolita de glóbulos rojos de la sangre entera centrifugada. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig02large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Espectros de absorbancia de agua en escala logarítmica vs. lineal; gráfico que muestra agua deuterada de O'Brien." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig03.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 3"> 
Figura 3: Comparación del espectro de absorbancia de agua y agua deuterada recolectada con configuraciones de adquisición idénticas en escala de absorbancia logarítmica (izquierda) y lineal (derecha). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig03large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Gráfico del espectro de absorbancia de agua Milli-Q; Comparación de longitud de onda vs absorbancia, análisis fotónico." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig04.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 4"> 
Figura 4: Comparación del espectro de absorbancia de agua adquirido utilizando los métodos descritos en este documento frente a Hale y Querry20. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig04large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Gráfico del espectro de absorbancia de melanina que compara la melanina OBrien con la eumelanina Sarna y Crippa." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig05.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 5"> 
Figura 5: Comparación del espectro de absorbancia de melanina adquirido mediante los métodos aquí descritos frente a Sarna et al.21,22 y Crippa et al.23. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig05large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Espectro de absorbancia del aceite de maíz vs Berezin, análisis espectral, gráfico, medición óptica." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig06.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 6"> 
Figura 6: Comparación del espectro de absorbancia del aceite de maíz adquirido utilizando los métodos descritos en este documento frente a Cao et al.1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig06large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Tabla de espectro de absorbancia de hemoglobina oxigenada; análisis espectral; longitud de onda vs absorbancia." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig07.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 7"> 
Figura 7: Comparación del espectro de absorbancia de hemoglobina oxigenada adquirido mediante los métodos descritos en este documento frente a Prahl4. Las características espectrales de 1.400 a 1.600 nm probablemente se atribuyen al agua residual en la muestra. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig07large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Espectro de absorbancia de hemoglobina desoxigenada; gráfico que compara los datos de OBrien y Prahl (longitud de onda frente a absorbancia)." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig08.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 8"> 
Figura 8: Comparación del espectro de absorbancia de hemoglobina desoxigenada adquirido mediante los métodos descritos en este documento frente a Prahl4. Las características espectrales de 1.400 a 1.600 nm probablemente se atribuyen al agua residual en la muestra. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig08large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Gráfico de espectros de absorbancia; absorbentes biológicos; Hb, HbO₂, melanina; longitud de onda vs. absorbancia." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig9v3.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 9"> 
Figura 9: Espectros VIS-SWIR de absorbentes biológicos comunes. Abreviatura: VIS-SWIR = infrarrojo visible de onda corta. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig9v2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

Caracterización de espectros de absorción biológica que abarcan desde el visible hasta el infrarrojo de onda corta

For noninvasive light-based physiological monitoring, optimal wavelengths of individual tissue components can be identified using absorption spectroscopy. ...

characterization-biological-absorption-spectra-spanning-visible-to

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Bioengineering

Bioingeniería

SOM es la base de muchos procesos y funciones del suelo, pero su caracterización por espectroscopia FTIR es desafiado a menudo por interferencias minerales. El método descrito puede aumentar la utilidad del análisis SOM por espectroscopia FTIR restando interferencias minerales en espectros del suelo usando empíricamente obtenidos espectros de referencia mineral.

Mejorar la caracterización de la espectroscopia infrarroja de materia orgánica del suelo con restas espectrales

Se trata de un paso a paso guía que muestra el propósito, el funcionamiento y los resultados representativos de la fuerza de la gravedad del espectrómetro novela.

Demostrando la Utilización del Espectrómetro de Novela de la Fuerza gravitacional para estirar y medir las proteínas fibrosas

Nanopartículas fluorescentes producidos en nuestro laboratorio se utilizan para las concentraciones de iones de imágenes y los flujos de iones en los sistemas biológicos, como las células en el líquido intersticial y la señalización en la homeostasis fisiológica.

Las nanopartículas fluorescentes para la Medición de la concentración de iones en sistemas biológicos

Un biorreactor presión cíclica capaz de someter a los tejidos del corazón de la válvula de presión a las condiciones fisiológicas y patológicas ha sido diseñado. Un programa LabVIEW permite a los usuarios para controlar la presión magnitud, amplitud y frecuencia. Este dispositivo puede ser utilizado para estudiar el tejido mecanobiología de las válvulas del corazón o células aisladas.

Diseño de un biorreactor de presión cíclica de la Ex Vivo Estudio de las válvulas aórtica del corazón

Alkanethiolate estabilizado coloides de oro conocidos como clusters monocapa protegidas (PSM) se sintetizan, que se caracteriza, y montados en láminas delgadas como una interfaz de adsorción de la electroquímica de proteínas monocapa de proteínas redox sencillas...

Síntesis, de la Asamblea, y caracterización de una sola capa de nanopartículas de oro protegidas Films de Electroquímica de proteínas monocapa

A pesar de las excelentes propiedades mecánicas y bioquímicas de las sedas de araña, este material no pueden ser cosechadas en grandes cantidades por medios convencionales. A continuación se describe una estrategia eficiente para hacer girar las fibras artificiales de seda de araña, que es un proceso importante para los investigadores que estudian la producción de seda de araña y su uso como la próxima generación de biomateriales.

La producción de seda sintética araña a escala de laboratorio

Se describe un método de espectrometría de masas bidimensional de cromatografía de gases en tiempo de vuelo para la caracterización de la fracción acuosa de biocrudo producida a partir de la licuefacción hidrotermal de algas. Este protocolo también se puede emplear para analizar la fracción acuosa de productos líquidos de pirólisis rápida, pirólisis rápida catalítica, desoxigenación catalítica e hidrotratamiento.

Caracterización cualitativa de la fracción acuosa de hidrotérmico Licuefacción de algas mediante 2D cromatografía de gases con espectrometría de masas de tiempo de vuelo

Se describe un protocolo para la fabricación de dispositivos microfluídicos plástico con puertos de vista transparentes para la proyección de imagen de luz visible e infrarroja.

Procedimiento suave litográfica para la producción de dispositivos microfluídicos plástico con puertos de vista transparentes a luz Visible e infrarroja

Detección de endotoxinas en nanomateriales modificados representa uno de los grandes retos en el campo de la nanomedicina. Aquí, presentamos un estudio de caso que describe el marco compuesto por tres formatos diferentes de LAL para estimar la potencial contaminación de endotoxina en nanopartículas.

Detección de endotoxinas en las formulaciones Nano mediante ensayos de Limulus Amoebocyte Lysate (LAL)

Se describe un método fiable y fácilmente reproducible para la preparación de nanocúmulos de oro fotoluminiscente de emisión de infrarrojo cercano funcional y y su detección directa dentro de las células de HeLa mediante citometría de flujo y microscopía de escaneo láser confocal.

Síntesis de nanoclusters de oro de emisión de infrarrojo cercano para aplicaciones biológicas

Aprenda a caracterizar espectros de absorción VIS-SWIR en muestras biológicas usando hemoglobina oxigenada y desoxigenada. Este método mejora el diagnóstico óptico en salud materna al minimizar sesgos por melanina.

Caracterización de espectros de absorción biológica que abarcan desde el visible hasta el infrarrojo de onda corta

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