Cupole e semi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3165 (2023) Citare questo articolo

491 accessi

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

È noto che la microscopia infrarossa di campioni di dimensioni micrometriche soffre di forti distorsioni di scattering, attribuite allo scattering Mie. La tecnica di preelaborazione all'avanguardia per modellare e rimuovere le caratteristiche di scattering Mie dagli spettri di assorbanza infrarossa di campioni biologici è costruita su un metamodello per sfere perfette. Tuttavia, le forme cellulari non sferiche sono la norma piuttosto che l'eccezione, ed è quindi molto rilevante valutare la validità di questa tecnica di preelaborazione per sistemi sferici deformati. Affrontando questi casi, indaghiamo sia numericamente che sperimentalmente gli spettri di assorbanza di singole cupole stampate in 3D, file fino a cinque cupole, due cupole con distanza variabile e semi-capsule di varia lunghezza come sistemi modello di singole cellule deformate e piccole cellule cluster. Troviamo che gli effetti di accoppiamento tra le singole cupole sono piccoli, corroborando i precedenti risultati della letteratura correlata per le sfere. Inoltre, sottolineiamo e illustriamo con esempi che, mentre la reciprocità ottica garantisce la stessa efficienza di estinzione per l'illuminazione dall'alto rispetto a quella dal basso, il campo interno di un diffusore può essere molto diverso in queste due situazioni. Infine, dimostriamo che il modello ME-EMSC per la preelaborazione degli spettri infrarossi da sistemi biologici sferici è valido anche per sistemi sferici deformati.

Ad oggi, sono disponibili diverse potenti tecniche per condurre la spettroscopia vibrazionale di campioni biologici e inanimati nella gamma spettrale del medio infrarosso. Tra questi vi sono, ad esempio, la spettroscopia Raman1, la spettroscopia di neutroni2, la spettroscopia fotoacustica3,4,5,6 e la spettroscopia di perdita di energia degli elettroni7. Tuttavia, la tecnica analitica di gran lunga più utilizzata per la caratterizzazione biochimica di diversi campioni è la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR)8,9,10,11. Pertanto, l’obiettivo di questo articolo è aumentare ulteriormente la potenza di questa tecnica e l’estensione della sua applicabilità. Mentre l’acquisizione, la correzione e l’interpretazione degli spettri biologici FTIR a film sottile si basano su tecniche consolidate, resta ancora molto lavoro da fare nell’area della spettroscopia FTIR di singole cellule biologiche e piccoli aggregati di cellule. È noto che le cellule biologiche che hanno approssimativamente la stessa dimensione della lunghezza d'onda della radiazione infrarossa, sono dei diffusori altamente efficaci. Forti firme di dispersione osservate nella spettroscopia infrarossa di cellule umane sono state attribuite allo scattering di tipo Mie da Mohlenhoff et al. nel 200512. Da allora, i sistemi di modelli sferici sono stati spesso utilizzati per modellare e rimuovere le firme di dispersione dai sistemi biologici13,14,15,16. I due principali contributi dello scattering Mie sono le oscillazioni e le increspature17. Le oscillazioni sono oscillazioni a lungo raggio causate da un effetto di interferenza17. Determinano il comportamento medio degli spettri di estinzione dell'infrarosso. Le increspature sono picchi acuti sovrapposti alle oscillazioni. Si formano a causa di risonanze di forma, cioè onde stazionarie all'interno del campione18.

Tuttavia, non è ben compreso se i sistemi modello sferici siano adatti per descrivere le cellule biologiche nelle misurazioni spettroscopiche a infrarossi. Non si prevede che la maggior parte delle cellule biologiche sia perfettamente sferica e in natura si osservano comunemente forme diverse. Gli esempi includono batteri, lieviti e alghe, che presentano un'ampia gamma di forme, da forme sferiche a sferoidi e forme di capsule allungate. Inoltre, quando una cellula viene depositata su un vetrino per microscopio a infrarossi, potrebbe attaccarsi al vetrino, provocando una deformazione della forma. Al contrario, si prevede che i campioni strutturalmente stabili, ad esempio i granuli di polline, mantengano la loro forma sferica quando depositati su un vetrino. Questo può essere visto con la microscopia ottica dei granelli di polline. Nelle misurazioni dell'assorbanza a infrarossi, i granuli di polline mostrano firme di diffusione Mie vicine alla perfetta, sia con oscillazioni che increspature19. Le increspature sono sensibili alla forma del diffusore ed è stato dimostrato che le deformazioni della forma possono sopprimere o addirittura eliminare le increspature negli spettri infrarossi20. Pertanto, oltre all'osservazione diretta al microscopio ottico, la presenza di increspature è un'ulteriore indicazione che i granuli pollinici mantengono la loro forma sferica.