Name: Caratterizzazione degli spettri di assorbimento biologico che vanno dal visibile allinfrarosso a onde corte (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-01-10T13:10:00.000+00:00
Duration: 7 min 38 s
Description: Scopri la caratterizzazione degli spettri di assorbimento VIS-SWIR di campioni biologici per applicazioni diagnostiche in salute materna. Questo metodo utilizza emoglobina umana e spettrometria a doppio fascio per ottimizzare le misurazioni ottiche.

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<meta charset="utf8"></head><body>Ottimizzazione della spettroscopia VIS-SWIR per le molecole biologiche

<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 &micro; siringa diametro m Filtri</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>SLGPM33RS</td><td></td></tr><tr><td>1000 &micro; L Pipetta</td><td>Millipore Sigma</td><td>EP3124000121</td><td></td></tr><tr><td>200 &micro; L Pipetta</td><td>Millipore Sigma</td><td>EP3124000083</td><td></td></tr><tr><td>Tubi conici</td><td>Avantor VWR</td><td>21008-089</td><td></td></tr><tr><td>Olio di mais</td><td>Happy Belly</td><td>n/A</td><td>48 Fl Oz</td></tr><tr><td>Ossido di deuterio</td><td>Cambridge Isotope Laboratories</td><td>DLM-4-100</td><td></td></tr><tr><td>Ossido di deuterio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7789-20-0</td><td></td></tr><tr><td>Dimetil solfossido (DMSO)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D5879-1L</td><td></td></tr><tr><td>Siringa monouso da 1 ml</td><td>BH Forniture</td><td>BH1LL</td><td></td></tr><tr><td>Ago monouso</td><td>Atshuhut/Amazon</td><td>66941</td><td></td></tr><tr><td>Congelatore (-80 &deg; C)</td><td>Fisher Scientific</td><td>IUE386FARK</td><td></td></tr><tr><td>Bicchieri in Vetro</td><td>Millipore Sigma</td><td>CLS1000PACK</td><td></td></tr><tr><td>Cuvette in Vetro o Quarzo</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z802875-1EA</td><td>700 &; L volume Cuvette</td></tr><tr><td>di vetro o quarzo</td><td>Thorlabs</td><td>CV10Q35EP</td><td>3500 mL di volume</td></tr><tr><td>Lampire di sangue umano eparinizzato</td><td></td><td>7203710</td><td></td></tr><tr><td>Provette per microcentrifuga</td><td>Costar</td><td>3213</td><td></td></tr><tr><td>- accuSpin Micro 17</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-100-675</td><td></td></tr><tr><td>MilliQ Water</td><td>Millipore Sigma</td><td>ZMQSP0D01</td><td></td></tr><tr><td>OSRAM FCS 64640 150 W 24 V HLX Lampadina alogena</td><td>Amazon</td><td>B0001221DG</td><td></td></tr><tr><td>Parafilm</td><td>Millipore Sigma</td><td>HS234526B</td><td></td></tr><tr><td>Puntali per pipette</td><td>Eppendorf</td><td>22492055</td><td></td></tr><tr><td>Melanina sintetica in polvere</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>8049-97-6</td><td></td></tr><tr><td>Scala</td><td>Sartorius</td><td>UX-11976-09</td><td></td></tr><tr><td>Ditionito</td> <td>di sodioSigma-Aldrich 1065070500</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sonicatore</td><td>Fisher Scientific</td><td>CPX1800</td><td></td></tr><tr><td>Spatola&nbsp;</td><td>Aozita</td><td>000 00 0 1 2 3</td><td></td></tr><tr><td>Spettrofotometro UV/VIS/SWIR</td><td>Sistemi di strumenti in linea</td><td>Olis Cary 14</td><td></td></tr><tr><td>Pesa Barche</td><td>Amazon</td><td>&nbsp; </td><td></td>B07M5RMNPF</tr></tbody></table>

caratterizzazione degli spettri di assorbimento biologico che vanno dal visibile all'infrarosso a onde corte

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

I dati sono disponibili tramite il WUSTL Digital Research Materials Repository (DRMR) doi: https://doi.org/10.7936/6RXS-108249
Caratterizzazione spettrale dell'acqua L'acqua, uno dei più comuni assorbitori biologici, ha picchi caratteristici e altamente assorbenti nel NIR e nello SWIR. Questi picchi caratteristici sono così forti che quando si misura l'assorbanza dell'acqua, spesso deve essere diluita con acqua deuterata per evitare la saturazione. La differenza di assorbanza tra acqua e acqua deuterata è mostrata nella Figura 3, evidenziando un aumento di oltre un ordine di grandezza dell'assorbanza dell'acqua rispetto all'acqua deuterata. Il forte assorbimento d'acqua nello SWIR rende inoltre difficile ottenere gli spettri di assorbimento di altri assorbitori biologici che contengono acqua nel campione o che utilizzano l'acqua come solvente e riferimento. Come soluzione a questo problema, l'acqua deuterata può essere utilizzata al posto dell'acqua. L'acqua deuterata agisce in modo simile all'acqua pur essendo un assorbitore SWIR molto più debole, il che la rende un sostituto ideale dell'acqua nelle misure di spettroscopia SWIR.
Per misurare lo spettro di assorbimento dell'acqua, l'acqua è stata utilizzata come campione e l'acqua deuterata come riferimento. Per prevenire la saturazione nello SWIR, il campione è stato diluito con acqua deuterata nella regione SWIR. Lo spettro di assorbimento dell'acqua risultante mostra un basso assorbimento nel VIS, che aumenta a lunghezze d'onda più lunghe. I picchi di assorbimento caratteristici possono essere osservati a circa 750 nm, 970 nm, 1.200 nm e 1.450 nm (Figura 4). Lo spettro dell'acqua risultante ha un SNR di 3536,6 ed è stato confrontato con lo spettro di assorbimento dell'acqua20 di Hale e Querry, mostrando una curva di assorbimento simile da ~500 nm a 1.600 nm. Tuttavia, da 400 a 500 nm, le curve di assorbimento differiscono, con Hale e Querry che mostrano un valore di assorbanza più elevato a lunghezze d'onda più basse. Questa differenza potrebbe essere dovuta a piccole particelle residue nell'acqua che avranno una dispersione più elevata a lunghezze d'onda più corte rispetto a lunghezze d'onda più lunghe3 e potrebbero invalidare le ipotesi di assenza di dispersione nelle misure di assorbimento basate sulla legge di Beer-Lambert.
Caratterizzazione spettrale della melanina La melanina, il principale assorbitore ottico della pelle, è stata caratterizzata spettralmente utilizzando la melanina in polvere come campione e il DMSO come solvente e riferimento. Lo spettro risultante ha un SNR di 172 ed è stato confrontato con i dati sull'eumelanina di Sarna et al.21,22 e Crippa et al.23 (Figura 5). L'eumelanina è il pigmento principale responsabile del colore della pelle e, pertanto, fornisce i dati più accurati su come la melanina influirà sui dispositivi ottici. Lo spettro raccolto utilizzando il protocollo qui descritto mostra un'elevata correlazione con questi valori di letteratura.
Caratterizzazione spettrale dell'olio di mais Per studiare lo spettro di assorbimento di un lipide, l'olio di mais è stato scelto per la sua minima dispersione ottica rispetto ad altri lipidi e per la sua nota somiglianza nella composizione chimica con i grassi animali1. Per prendere lo spettro di assorbimento dell'olio di mais, l'olio di mais è stato utilizzato come campione con l'aria come riferimento. Come si vede nella Figura 6, lo spettro dell'olio di mais contiene picchi caratteristici a circa 930 nm, 1.210 nm e 1.410 nm. Lo spettro dell'olio di mais risultante ha un SNR di 10363.1 ed è stato sovrapposto allo spettro 1 dell'olio di maisdi Cao et al., mostrando una forte correlazione.
Caratterizzazione spettrale dell'emoglobina ossigenata e deossigenata Mentre la caratterizzazione dell'assorbimento dell'emoglobina ossigenata e deossigenata è una delle più importanti prodezze nell'ottica biomedica, i loro spettri di assorbimento che vanno dal VIS allo SWIR rimangono poco compresi. Uno degli aspetti più impegnativi della determinazione dello spettro di assorbimento dell'emoglobina ossigenata e deossigenata nello SWIR è la rimozione dell'acqua nel sangue, che travolge l'assorbimento relativamente piccolo dell'emoglobina. Per districare l'assorbanza dell'emoglobina e dell'acqua, l'emoglobina è stata prima isolata dal sangue intero umano mediante centrifugazione e il surnatante è stato rimosso e sostituito con acqua deuterata. L'acqua deuterata è stata anche utilizzata come riferimento e solvente in cui l'emoglobina è stata ricostituita per causare l'esplosione ipotonica. Come mostrato nella Figura 3, l'acqua deuterata ha un assorbimento ottico molto inferiore rispetto all'acqua, il che la rende un solvente ideale e un riferimento per le misure di assorbimento SWIR. Lo spettro dell'emoglobina ossigenata risultante si estende dal VIS allo SWIR con un SNR di 23118.7 e corrisponde molto da vicinoallo spettro  dell'emoglobina ossigenata 4 pubblicato da Prahl (Figura 7). Nel VIS, lo spettro dell'emoglobina ossigenata mostra un elevato assorbimento con picchi di assorbimento caratteristici a circa 415 nm e un picco di doppietto da circa 540 a 575 nm. Nel NIR, lo spettro dell'emoglobina ossigenata mostra un picco caratteristico che abbraccia una gamma più ampia di lunghezze d'onda, da circa 800 nm a 1.100 nm. Nella SWIR, l'assorbimento dell'emoglobina è basso. Tuttavia, da circa 1.400 nm a 1.600 nm, lo spettro dell'emoglobina mostra un assorbimento più elevato con picchi, probabilmente a causa dell'acqua nell'emoglobina che non è stata in grado di essere completamente rimossa durante il processo di centrifugazione.
Per l'emoglobina deossigenata, il ditionito di sodio è stato aggiunto alla soluzione di emoglobina per introdurre la dissociazione del diossigeno dall'emoglobina ossigenata e convertire il campione in emoglobina deossigenata. Lo spettro risultante ha un SNR di 9813,9 ed è stato confrontato con lo spettro dell'emoglobina deossigenata di Prahl e mostra una correlazione molto forte tra 400 nm e 1.000 nm4  (Figura 8). Lo spettro dell'emoglobina deossigenata risultante mostra picchi di assorbimento caratteristici a circa 430 nm, 560 nm e 760 nm. Successivamente, l'assorbimento dell'emoglobina deossigenata diminuisce ma contiene picchi di assorbimento più piccoli intorno a 1.200 nm e da 1.400 nm a 1.600 nm. L'assorbanza tra 1.400 e 1.600 nm è probabilmente dovuta all'acqua che non è stata completamente rimossa dal campione di emoglobina durante il processo di centrifugazione.
Confronto tra gli assorbitori biologici del VIS-SWIR Gli spettri VIS-SWIR completi di tutti gli assorbitori biologici caratterizzati in questo protocollo sono mostrati nella Figura 9, scalati in base alla loro concentrazione biologica nel tessuto2, che evidenziano le distinte differenze spettrali tra gli assorbitori biologici. Ad esempio, la melanina, l'emoglobina ossigenata e l'emoglobina deossigenata hanno un forte assorbimento caratteristico nel VIS che generalmente diminuisce con la lunghezza d'onda, mentre l'acqua e i lipidi mostrano picchi caratteristici nel NIR e nello SWIR. Nei tessuti biologici, la combinazione di diminuzioni di melanina ed emoglobina e diminuzioni della diffusione ottica fornisce una maggiore profondità di penetrazione ottica nel NIR e nello SWIR. Inoltre, il ridotto assorbimento di melanina di NIR e SWIR consente l'indagine ottica dell'emoglobina, dei lipidi e dell'acqua ossigenati e deossigenati con effetti minimi dovuti alla pigmentazione della pelle.
<img alt="Spettri di assorbanza dei cromofori biologici, grafico comparativo di melanina, HbO2, Hb, lipidi, acqua." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig01.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 1"> 
Figura 1: Spettri precedentemente pubblicati di assorbitori biologici comuni attraverso l'UV fino allo SWIR. Gli spettri dell'emoglobina ossigenata e deossigenata sono stati tracciati utilizzando i dati di Prahl4. Lo spettro della melanina è stato tracciato utilizzando i dati di Sarna21 e Crippa23. Lo spettro lipidico è stato tracciato utilizzando i dati di van Veen24. Lo spettro dell'acqua è stato tracciato utilizzando i dati di Hale e Querry20. Abbreviazione: SWIR = infrarosso a onde corte. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig01large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Campione di sangue di laboratorio in fiala rossa, analisi biochimica, impostazione dell'esperimento di ricerca medica." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig02.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 2"> 
Figura 2: Foto del surnatante e del pellet di globuli rossi da sangue intero centrifugato. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig02large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="spettri di assorbanza dell'acqua in scala logaritmica rispetto a scala lineare; grafico che mostra l'acqua deuterata di O'Brien." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig03.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 3"> 
Figura 3: Confronto dello spettro di assorbanza dell'acqua e dell'acqua deuterata raccolte con impostazioni di acquisizione identiche nella scala di assorbanza logaritmica (a sinistra) e lineare (a destra). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig03large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Grafico dello spettro di assorbanza dell'acqua Milli-Q; Confronto tra lunghezza d'onda e assorbanza, analisi fotonica." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig04.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 4"> 
Figura 4: Confronto dello spettro di assorbanza dell'acqua acquisito utilizzando i metodi descritti nel presente documento rispetto a Hale e Querry20. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig04large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più ampia di questa figura.</a>
<img alt="Grafico dello spettro di assorbanza della melanina che confronta la melanina OBrien con l'eumelanina di Sarna e Crippa." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig05.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 5"> 
Figura 5: Confronto dello spettro di assorbanza della melanina acquisito utilizzando i metodi qui descritti rispetto a Sarna et al.21,22 e Crippa et al.23. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig05large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Spettro di assorbanza dell'olio di mais vs Berezin, analisi spettrale, grafico, misura ottica." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig06.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 6"> 
Figura 6: Confronto tra lo spettro di assorbanza dell'olio di mais acquisito utilizzando i metodi qui descritti rispetto a Cao et al.1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig06large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più ampia di questa figura.</a>
<img alt="Grafico dello spettro di assorbanza dell'emoglobina ossigenata; analisi spettrale; lunghezza d'onda vs assorbanza." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig07.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 7"> 
Figura 7: Confronto dello spettro di assorbanza dell'emoglobina ossigenata acquisito utilizzando i metodi qui descritti rispetto a Prahl4. Caratteristiche spettrali da 1.400 a 1.600 nm probabilmente attribuite all'acqua residua nel campione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig07large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Spettro di assorbanza dell'emoglobina deossigenata; grafico che confronta i dati OBrien e Prahl (lunghezza d'onda vs assorbanza)." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig08.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 8"> 
Figura 8: Confronto dello spettro di assorbanza dell'emoglobina deossigenata acquisito utilizzando i metodi qui descritti rispetto a Prahl4. Caratteristiche spettrali da 1.400 a 1.600 nm probabilmente attribuite all'acqua residua nel campione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig08large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Grafico degli spettri di assorbanza; assorbitori biologici; Hb, HbO₂, melanina; lunghezza d'onda vs. assorbanza." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig9v3.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 9"> 
Figura 9: Spettri VIS-SWIR dei comuni assorbitori biologici. Abbreviazione: VIS-SWIR = infrarosso a onde corte visibili. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig9v2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

Caratterizzazione degli spettri di assorbimento biologico che vanno dal visibile all'infrarosso a onde corte

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

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Questo è un passo-passo guida che mostra la finalità, il funzionamento ei risultati rappresentante del spettrometro romanzo forza gravitazionale.

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Nanoparticelle fluorescenti prodotte nel nostro laboratorio vengono utilizzati per concentrazioni di ioni di imaging e flussi di ioni in sistemi biologici come cellule durante la segnalazione e fluido interstiziale durante l'omeostasi fisiologica.

Le nanoparticelle fluorescenti per la misurazione della concentrazione di ioni in sistemi biologici

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Colloidi d'oro Alkanethiolate stabilizzata nota come cluster monostrato protetta (MPC) sono sintetizzati, caratterizzati e assemblati in film sottili come interfaccia per adsorbimento elettrochimica monostrato proteina di semplici proteine ​​redox...

Sintesi, assemblaggio e caratterizzazione di film monostrato Protetta delle nanoparticelle d&#39;oro per Elettrochimica proteine ​​monostrato

Nonostante le notevoli proprietà meccaniche e biochimiche di seta di ragno, questo materiale non può essere raccolto in grandi quantità con mezzi convenzionali. Qui descriviamo una strategia efficace per far girare fibre artificiali in seta di ragno, che è un processo importante per i ricercatori che studiano la produzione della seta di ragno e il loro uso come biomateriali di nuova generazione.

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Viene descritto un metodo di gascromatografia bidimensionale-spettrometria di massa a tempo di volo per la caratterizzazione della frazione acquosa del bio-greggio prodotto dalla liquefazione idrotermale delle alghe. Questo protocollo può essere impiegato anche per analizzare la frazione acquosa di prodotti liquidi provenienti da pirolisi veloce, pirolisi rapida catalitica, deossigenazione catalitica e idrotrattamento.

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Scopri la caratterizzazione degli spettri di assorbimento VIS-SWIR di campioni biologici per applicazioni diagnostiche in salute materna. Questo metodo utilizza emoglobina umana e spettrometria a doppio fascio per ottimizzare le misurazioni ottiche.

Caratterizzazione degli spettri di assorbimento biologico che vanno dal visibile all'infrarosso a onde corte

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