Cúpulas e semi

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3165 (2023) Citar este artigo

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É bem conhecido que a microscopia infravermelha de amostras do tamanho de um micrômetro sofre fortes distorções de espalhamento, atribuídas ao espalhamento de Mie. A técnica de pré-processamento de última geração para modelar e remover características de dispersão de Mie de espectros de absorção de infravermelho de amostras biológicas é construída em um metamodelo para esferas perfeitas. No entanto, formas de células não esféricas são a norma e não a exceção e, portanto, é altamente relevante avaliar a validade dessa técnica de pré-processamento para sistemas esféricos deformados. Abordando esses casos, investigamos numericamente e experimentalmente os espectros de absorção de cúpulas individuais impressas em 3D, fileiras de até cinco cúpulas, duas cúpulas com distância variável e semicápsulas de comprimentos variados como sistemas modelo de células individuais deformadas e células pequenas clusters. Descobrimos que os efeitos de acoplamento entre cúpulas individuais são pequenos, corroborando resultados anteriores da literatura relacionados para esferas. Além disso, apontamos e ilustramos com exemplos que, embora a reciprocidade óptica garanta a mesma eficiência de extinção para iluminação superior versus inferior, o campo interno de um espalhador pode ser muito diferente nessas duas situações. Finalmente, demonstramos que o modelo ME-EMSC para pré-processamento de espectros infravermelhos de sistemas biológicos esféricos é válido também para sistemas esféricos deformados.

Até o momento, várias técnicas poderosas estão disponíveis para a realização de espectroscopia vibracional de amostras biológicas e inanimadas na faixa espectral do infravermelho médio. Entre eles estão, por exemplo, espectroscopia Raman1, espectroscopia de nêutrons2, espectroscopia fotoacústica3,4,5,6 e espectroscopia de perda de energia de elétrons7. No entanto, de longe, a técnica analítica mais amplamente utilizada para a caracterização bioquímica de diferentes amostras é a espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR)8,9,10,11. Assim, aumentar ainda mais o poder dessa técnica e ampliar sua aplicabilidade é o foco deste trabalho. Embora a aquisição, correção e interpretação de espectros biológicos de filme fino FTIR sejam baseados em técnicas estabelecidas, muito trabalho ainda precisa ser feito na área de espectroscopia FTIR de células biológicas individuais e pequenos agregados de células. É bem conhecido que as células biológicas que têm aproximadamente o mesmo tamanho que o comprimento de onda da radiação infravermelha são espalhadores altamente eficazes. Fortes assinaturas de espalhamento observadas na espectroscopia de infravermelho de células humanas foram atribuídas ao espalhamento do tipo Mie por Mohlenhoff et al. em 200512. Desde então, sistemas de modelos esféricos têm sido freqüentemente usados ​​para modelar e remover assinaturas de espalhamento de sistemas biológicos13,14,15,16. As duas principais contribuições do espalhamento de Mie são ondulações e ondulações17. Wiggles são oscilações de longo alcance causadas por um efeito de interferência17. Eles determinam o comportamento médio dos espectros de extinção no infravermelho. As ondulações são picos agudos sobrepostos às ondulações. Surgem devido a ressonâncias de forma, ou seja, ondas estacionárias no interior da amostra18.

No entanto, não é bem compreendido se os sistemas de modelos esféricos são adequados para descrever células biológicas em medições espectroscópicas de infravermelho. Não se espera que a maioria das células biológicas sejam perfeitamente esféricas, e formas diferentes são comumente observadas na natureza. Exemplos incluem bactérias, leveduras e algas, que exibem uma ampla gama de formas, desde formas esféricas até esferóides e formas de cápsulas alongadas. Além disso, quando uma célula é depositada em uma lâmina de microscópio infravermelho, ela pode aderir à lâmina, resultando em uma deformação de forma. Em contraste, espera-se que amostras estruturalmente estáveis, por exemplo, grãos de pólen, mantenham sua forma esférica quando depositadas em uma lâmina. Isso pode ser visto com microscopia óptica de grãos de pólen. Nas medições de absorbância infravermelha, os grãos de pólen exibem assinaturas de dispersão de Mie quase perfeitas, com ondulações e ondulações19. As ondulações são sensíveis à forma do espalhador e foi demonstrado que as deformações da forma podem suprimir ou mesmo eliminar as ondulações no espectro infravermelho20. Portanto, além da observação direta com microscopia óptica, a presença de ondulações é mais uma indicação de que os grãos de pólen mantêm sua forma esférica.