Купола и полу

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3165 (2023) Цитировать эту статью

491 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Хорошо известно, что инфракрасная микроскопия образцов микрометрового размера страдает от сильных искажений рассеяния, связанных с рассеянием Ми. Современная технология предварительной обработки для моделирования и удаления особенностей рассеяния Ми из инфракрасных спектров поглощения биологических образцов построена на метамодели идеальных сфер. Однако несферические формы ячеек являются скорее нормой, чем исключением, и поэтому весьма актуально оценить применимость этого метода предварительной обработки для деформированных сферических систем. Обращаясь к этим случаям, мы исследуем как численно, так и экспериментально спектры поглощения отдельных куполов, напечатанных на 3D-принтере, рядов до пяти куполов, двух куполов с разным расстоянием и полукапсул различной длины как модельных систем деформированных отдельных клеток и маленьких клеток. кластеры. Мы обнаружили, что эффекты связи между отдельными куполами невелики, что подтверждает предыдущие результаты литературы по сферам. Кроме того, мы указываем и иллюстрируем примерами, что, хотя оптическая взаимность гарантирует одинаковую эффективность гашения для верхнего и нижнего освещения, внутреннее поле рассеивателя может сильно различаться в этих двух ситуациях. Наконец, мы демонстрируем, что модель ME-EMSC для предварительной обработки инфракрасных спектров сферических биологических систем справедлива и для деформированных сферических систем.

На сегодняшний день доступно несколько мощных методов проведения колебательной спектроскопии биологических и неживых образцов в среднем инфракрасном диапазоне спектра. Среди них, например, рамановская спектроскопия1, нейтронная спектроскопия2, фотоакустическая спектроскопия3,4,5,6 и спектроскопия потерь энергии электронов7. Однако на сегодняшний день наиболее широко используемым аналитическим методом для биохимической характеристики различных образцов является инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR)8,9,10,11. Таким образом, целью данной статьи является дальнейшее увеличение мощности этого метода и расширение его применимости. Хотя получение, коррекция и интерпретация биологических тонкопленочных FTIR-спектров основаны на устоявшихся методах, еще предстоит проделать большую работу в области FTIR-спектроскопии отдельных биологических клеток и небольших агрегатов клеток. Хорошо известно, что биологические клетки, размер которых примерно соответствует длине волны инфракрасного излучения, являются высокоэффективными рассеивателями. Сильные признаки рассеяния, наблюдаемые при инфракрасной спектроскопии клеток человека, были приписаны рассеянию типа Ми Моленхоффом и др. в 2005 году12. С тех пор сферические модельные системы часто использовались для моделирования и устранения признаков рассеяния в биологических системах13,14,15,16. Двумя основными причинами рассеяния Ми являются покачивания и рябь17. Покачивания – это дальнодействующие колебания, вызванные эффектом интерференции17. Они определяют среднее поведение спектров инфракрасного затухания. Рябь представляет собой острые пики, наложенные на покачивания. Они возникают из-за резонансов формы, т.е. стоячих волн внутри образца18.

Однако не совсем понятно, подходят ли сферические модельные системы для описания биологических клеток в инфракрасных спектроскопических измерениях. Ожидается, что большинство биологических клеток не будут идеально сферическими, и в природе обычно наблюдаются различные формы. Примеры включают бактерии, дрожжи и водоросли, которые имеют широкий диапазон форм: от сферических до сфероидов и удлиненных капсул. Кроме того, когда клетка помещается на предметное стекло инфракрасного микроскопа, она может прикрепиться к предметному стеклу, что приведет к деформации формы. Напротив, ожидается, что структурно стабильные образцы, например пыльцевые зерна, сохранят свою сферическую форму при нанесении на предметное стекло. Это можно увидеть при оптической микроскопии пыльцевых зерен. При измерении поглощения инфракрасного излучения пыльцевые зерна демонстрируют почти идеальные характеристики рассеяния Ми, как с покачиванием, так и с рябью19. Рябь чувствительна к форме рассеивателя, и было показано, что деформации формы могут подавлять или даже устранять рябь в инфракрасных спектрах20. Таким образом, помимо прямого наблюдения с помощью оптической микроскопии, наличие ряби является еще одним показателем того, что пыльцевые зерна сохраняют свою сферическую форму.