Name: 可視から短波赤外までの生体吸収スペクトルの特性評価 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-01-10T13:10:00.000+00:00
Duration: 7 min 38 s
Description: 学ぶ可視から短波赤外までの生体吸収スペクトルの特性評価法。酸素化・脱酸素化ヘモグロビンを用いた分光測定により、母性健康診断における皮膚色素バイアスを最小化する最適波長の選択に貢献します。

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<meta charset="utf8"></head><body>生体分子の VIS-SWIR 分光法の最適化

<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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<table><tbody><tr><td>0.22 以上m径シリンジ</td><td>フィルターSigma-Aldrich</td><td>SLGPM33RS</td><td></td></tr><tr><td>1000 &micro;L ピペット</td><td>ミリポア シグマ</td><td>EP3124000121</td><td></td></tr><tr><td>200 & マイクロ;L ピペット</td><td>ミリポア シグマ</td><td>EP3124000083</td><td></td></tr><tr><td>コニカルチューブ</td><td>アバンター VWR</td><td>21008-089</td><td></td></tr><tr><td>コーンオイル</td><td>ハッピーベリー</td><td>n/a</td><td>48 液量オン</td></tr>ス <tr><td>酸化重水素</td><td>ケンブリッジアイソトープラボラトリーズ</td><td>DLM-4-100</td><td></td></tr><tr><td>酸化重水素</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7789-20-0</td><td></td></tr><tr><td>ジメチルスルホキシド (DMSO)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D5879-1L</td><td></td></tr><tr><td>ディスポーザブル 1 mL シリンジ</td><td>BH サプライ</td><td>BH1LL</td><td></td></tr><tr><td>ディスポーザブル ニードル</td><td>Atshuhut/Amazon</td><td>66941</td><td></td></tr><tr><td>フリーザー (-80 &deg;C)</td><td>フィッシャーサイエンティフィ</td>ック<td>IUE386FARK</td><td></td></tr><tr><td>ガラスビーカー</td><td>ミリポアシグマ</td><td>CLS1000PACK</td><td></td></tr><tr><td>ガラスまたは石英キュベットシ</td><td>グマアルドリッチ</td><td>Z802875-1EA</td><td>700&マイクロ;L容量</td></tr><tr><td>ガラスまたは石英キュベット</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>CV10Q35EP 3500mL容量</td></tr><tr><td>ヘパリン処理ヒト血液</td><td>ランプ 7203710</td><td></td><td></td></tr><tr><td>微量遠心チューブ</td><td>Costar</td><td>3213</td><td></td></tr><tr><td>微量遠心分離機--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 ハロゲン電球</td><td>Amazon</td><td>B0001221DG</td><td></td></tr><tr><td>Parafilm</td><td>ミリポア シグマ</td><td>HS234526B</td><td></td></tr><tr><td>ピペットチップ</td><td>エッペンドルフ</td><td>22492055</td><td></td></tr><tr><td>粉末合成メラニン</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>8049-97-6</td><td></td></tr><tr><td>スケール</td><td>ザルトリウス</td><td>UX-11976-09</td><td></td></tr><tr><td>ジチオナイト</td><td>ナトリウムシグマ・アルドリッチ</td><td>1065070500</td><td></td></tr><tr><td>ソニケーター</td><td>フィッシャーサイエンティフィ</td>ック<td>CPX1800</td><td></td></tr><tr><td>スパチュラ&nbsp;</td><td>Aozita</td><td>000 00 0 1 2 3</td><td></td></tr><tr><td>UV/VIS/SWIR 分光光度計</td><td>オンライン 計器システム</td><td>Olis Cary 14</td><td></td></tr><tr><td>Weigh Boats</td><td>Amazon</td><td>&nbsp;</td><td></td>B07M5RMNPF</tr></tbody></table>

可視から短波赤外までの生体吸収スペクトルの特性評価

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

データは、WUSTL Digital Research Materials Repository (DRMR) doi: https://doi.org/10.7936/6RXS-108249
水のスペクトル特性評価 最も一般的な生物学的吸収体の1つである水は、NIRとSWIRに特徴的で吸収性の高いピークを持っています。これらの特性ピークは非常に強いため、水の吸光度を測定するときは、飽和を防ぐために重水素水で希釈する必要があることがよくあります。水と重水素化水との間の吸光度の差を 図3に示し、重水素化水に対する吸水率の桁違いの増加を強調しています。SWIRでの強い吸水は、サンプルに水を含む、または溶媒および参照として水を使用する他の生物学的吸収体の吸収スペクトルを取得することも困難にします。この問題を解決するために、水の代わりに重水素化水を使うことができます。重水素化水は水と同様に作用しますが、SWIR吸収体ははるかに弱いため、SWIR分光測定では水の理想的な代替品となります。
水の吸収スペクトルを測定するために、水をサンプルとして使用し、重水素化水を基準として使用しました。SWIRの飽和を防ぐために、サンプルはSWIR領域で重水素水で希釈されました。結果として得られる吸水スペクトルは、VISでの吸収が低く、より長い波長で増加します。約750 nm、970 nm、1,200 nm、1,450 nmに特徴的な吸収ピークが見られます(図4)。得られた水スペクトルのSNRは3536.6で、Hale and Querryの吸水スペクトル20と比較すると、~500 nmから1,600 nmまで同様の吸収曲線が示されました。ただし、400 nmから500 nmでは、吸収曲線は異なり、HaleとQuerryは低波長でより高い吸光度値を示しています。この違いは、水中に残留する小さな粒子が、長波長3と比較して短波長でより高い散乱を持つためである可能性があり、ラン ベルトビールの法則に基づく吸収測定で散乱がないという仮定を無効にする可能性があります。
メラニンのスペクトル特性評価 皮膚の主要な光吸収体であるメラニンは、粉末メラニンをサンプルとして、DMSOを溶媒および参照として使用してスペクトル特性評価されました。得られたスペクトルのSNRは172で、Sarnaら21,22およびCrippaら23のユーメラニンデータと比較しました(図5)。ユーメラニンは肌の色に関与する主要な色素であるため、メラニンが光学デバイスにどのように影響するかについて最も正確なデータを提供します。本明細書に記載のプロトコルを用いて収集されたスペクトルは、これらの文献値と高い相関を示す。
コーン油のスペクトル特性評価 脂質の吸収スペクトルを調査するために、コーン油は、他の脂質と比較した場合の光散乱が最小限であり、化学組成が動物性脂肪1に類似していることが知られているため、コーン油が選択されました。コーン油の吸収スペクトルを取るために、コーン油をサンプルとして使用し、空気を基準として使用しました。 図6に見られるように、コーン油のスペクトルには、約930 nm、1,210 nm、および1,410 nmに特徴的なピークが含まれています。得られたコーン油スペクトルのSNRは10363.1で、Caoらのコーン油スペクトル1と重ね合わせると、強い相関関係が見られました。
酸素化および脱酸素化ヘモグロビンのスペクトル特性評価 酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの吸収の特性評価は、生物医学光学における最も重要な偉業の1つですが、VISからSWIRまでの吸収スペクトルはよくわかっていません。SWIR中の酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの吸収スペクトルを決定する上で最も困難な側面の1つは、血液中の水分を除去することであり、これは比較的小さなヘモグロビンの吸収を圧倒します。ヘモグロビンと水の吸収率を解きほぐすために、まず遠心分離法を用いてヒト全血からヘモグロビンを単離し、上清を除去して重水素化水に置換しました。重水素化水は、ヘモグロビンが再構成されて低張バーストを引き起こすための基準および溶媒としても使用されました。 図3に示すように、重水素化水は水よりもはるかに光吸収が低いため、SWIR吸収測定の理想的な溶媒および基準となります。得られた酸素化ヘモグロビンスペクトルは、SNRが23118.7でVISからSWIRにまたがり、Prahl氏が発表した酸素化ヘモグロビンスペクトル4 (図7)と非常に密接に一致しました。VISでは、酸素化ヘモグロビンスペクトルは高い吸収を示し、約415 nmに特徴的な吸収ピーク、約540〜575 nmにダブレットピークを示します。NIRでは、酸素化ヘモグロビンスペクトルは、約800nmから1,100nmのより広い波長範囲にわたる特徴的なピークを示します。SWIRでは、ヘモグロビンの吸収は低いです。しかし、約1,400 nmから1,600 nmまでは、ヘモグロビンスペクトルはピークでより高い吸収を示しますが、これはおそらくヘモグロビン中の水分が遠心分離プロセス中に完全に除去できなかったためです。
脱酸素化ヘモグロビンについては、ヘモグロビン溶液にジチオン酸ナトリウムを添加して、酸素化ヘモグロビンから二酸素を解離させ、サンプルを脱酸素化ヘモグロビンに変換しました。得られたスペクトルのSNRは9813.9で、Prahlの脱酸素化ヘモグロビンスペクトルと比較したところ、400 nmと1,000nmの間に 非常に強い相関関係が示されました4(図8)。得られた脱酸素化ヘモグロビンスペクトルは、約430 nm、560 nm、および760 nmに特徴的な吸収ピークを示します。この後、脱酸素化ヘモグロビンの吸収は低下しますが、1,200 nm付近と1,400 nmから1,600 nm付近の小さな吸収ピークが含まれます。1,400〜1,600 nmの吸光度は、遠心分離プロセス中にヘモグロビンサンプルから完全に除去されなかった水が原因である可能性があります。
VIS-SWIRからの生物学的吸収体の比較 このプロトコルで特徴付けられるすべての生物学的吸収体からの完全なVIS-SWIRスペクトルを 図9に示し、組織2中の生物学的濃度に基づいてスケーリングし、生物学的吸収体間の明確なスペクトルの違いを強調しています。例えば、メラニン、酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビンは、VISで強く特徴的な吸収を持ち、一般的に波長とともに減少しますが、水と脂質はNIRとSWIRで特徴的なピークを示します。生体組織では、メラニンとヘモグロビンの減少、および光散乱の減少が組み合わさることで、NIRとSWIRの光学透過深度が増加します。さらに、NIRとSWIRのメラニン吸収の減少により、皮膚の色素沈着による影響を最小限に抑えて、酸素化および脱酸素化されたヘモグロビン、脂質、および水を光学的に調査できます。
<img alt="生体発色団の吸光度スペクトル、メラニン、HbO2、Hb、脂質、水を比較したグラフ" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig01.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 1"> 
図1:以前に発表された、UVからSWIRまでの一般的な生物学的吸収体のスペクトル。 酸素化ヘモグロビンスペクトルと脱酸素化ヘモグロビンスペクトルは、Prahl4のデータを使用してプロットされました。メラニンスペクトルは、Sarna21 およびCrippa23のデータを使用してプロットされました。脂質スペクトルは、van Veen24のデータを使用してプロットしました。水スペクトルは、Hale and Querry20 のデータを使用してプロットされました。略語:SWIR=短波赤外線。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="赤いバイアルに入った実験室の血液サンプル、生化学分析、医学研究実験のセットアップ。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig02.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 2"> 
図2:遠心分離した全血の上清と赤血球ペレットの写真。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="対数スケールと線形スケールの吸水度スペクトル。オブライエン重水素化水を示すグラフ。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig03.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 3"> 
図3:log(左)と線形(右)の吸光度スケールで同じ取得設定で収集された水と重水素化水の吸光度スペクトルの比較。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig03large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="ミリQ吸水率スペクトルグラフ。波長と吸光度の比較、フォトニック分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig04.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 4"> 
図4:本書に記載されている方法とHale and Querry20を用いて取得された水吸光度スペクトルの比較。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig04large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="OBrienメラニンとSarnaおよびCrippaユーメラニンを比較したメラニン吸光度スペクトルグラフ。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig05.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 5"> 
図5:本明細書に記載されている方法を使用して取得されたメラニン吸光度スペクトルとSarnaら21,22およびCrippaら23の比較。 この<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig05large.jpg" target="_blank">図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="コーン油吸光度スペクトルとベレジン、スペクトル分析、グラフ、光学測定。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig06.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 6"> 
図6:本明細書に記載されている方法とCaoら1を用いて取得されたコーン油吸光度スペクトルの比較1。 この <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig06large.jpg" target="_blank">図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="酸素化ヘモグロビン吸光度スペクトルチャート;スペクトル分析;波長と吸光度。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig07.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 7"> 
図7:本明細書に記載されている方法を用いて取得された酸素化ヘモグロビン吸光度スペクトルとPrahl4の比較。 1,400 nmから1,600 nmのスペクトルの特徴は、サンプル中の残留水に起因する可能性があります。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig07large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="脱酸素化ヘモグロビン吸光度スペクトル;OBrien と Prahl のデータ (波長と吸光度) を比較したグラフ。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig08.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 8"> 
図8:本明細書に記載されている方法を用いて取得された脱酸素化ヘモグロビン吸光度スペクトルとPrahl4の比較。 1,400 nmから1,600 nmのスペクトルの特徴は、サンプル中の残留水に起因する可能性があります。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig08large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="吸光度スペクトルグラフ;生物学的吸収剤;Hb、HbO₂、メラニン;波長対吸光度。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67403/67403fig9v3.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 9"> 
図9:一般的な生物学的吸収体のVIS-SWIRスペクトル。 略語:VIS-SWIR =可視短波赤外線。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67403/67403fig9v2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>

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これは、目的、操作、そして斬新な重力の分光計からの代表的な結果を示すステップバイステップガイドです。...

繊維状タンパク質をストレッチし、測定する新しい重力分光器の使用を実証

私たちの研究室で生産された蛍光ナノ粒子は、そのような生理的恒常性の間のシグナリングおよび間質液中の細胞のような生物学的システムにおけるイメージングイオン濃度とイオンのフラックスに使用されます。...

生体内イオン濃度の測定のための蛍光ナノ粒子

生理学的および病理学的圧力の条件に心臓弁組織を施すことのできる周期的圧力のバイオリアクターを設計されています。...

のための周期的圧力のバイオリアクターの設計生体外で</em大動脈心臓弁の>研究

単分子層保護のクラスタ（MPCは）として知られているAlkanethiolate安定化金コロイドは、合成の特徴、とのような単純な酸化還元蛋白質の蛋白質の単分子層の電気化学のための吸着インタフェースなどの薄膜に組み立てられる...

合成、組立、および単分子膜のキャラクタリゼーションは、タンパク質単分子層の電気化学のための金ナノ粒子膜を保護

クモの糸の傑出した機械的および生化学的特性にもかかわらず、この材料は、従来の手段によって大量にで収穫されたすることはできません。ここで我々は次世代の生体材料としてクモの糸生産とその使用方法を勉強し調査官するための重要なプロセスである人工的なクモの糸繊維をスピンするための効率的なの戦略を、について説明します。...

実験室規模の合成クモの糸生産

藻類の熱水液化から生成されるバイオ原油の水性画分の特性評価のために、2次元ガスクロマトグラフィー飛行時間型質量分析法が説明されています。このプロトコルは、高速熱分解、触媒高速熱分解、触媒脱酸素、および水素化処理からの液体製品の水性画分を分析するためにも使用できます。...

飛行時間型質量分析法と2Dガスクロマトグラフィーを用いて藻類の水熱液化からの水性画分の質的特性評価

可視・赤外光イメージングのための透明なビュー...

ビュー ポートの可視光と赤外線を透明なプラスチックのマイクロ流体デバイスを製造するためソフト平版のプロシージャ

ナノのエンドトキシンの検出は、ナノメディシン分野の難問の 1 つを表します。ナノ粒子の潜在的なエンドトキシン汚染を推定する 3 種類のラール...

ナノ製剤中のエンドトキシン検出カブトガニ リムラス ライセート (ラル) 試金を使用して

可動性の高い、近赤外線発光光発光金ナノクラスターの調製法と、フローサイトメトリーおよび共焦点レーザー走査顕微鏡によるHeLa細胞内での直接検出の信頼性と再現性の高い方法について説明する。...

近赤外線発光金ナノクラスターの生物応用のための合成

学ぶ可視から短波赤外までの生体吸収スペクトルの特性評価法。酸素化・脱酸素化ヘモグロビンを用いた分光測定により、母性健康診断における皮膚色素バイアスを最小化する最適波長の選択に貢献します。

可視から短波赤外までの生体吸収スペクトルの特性評価

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