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2.3: Lichtspektroskopie - Biologie

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Spektralphotometer messen die von einer Probe bei einer bestimmten Wellenlänge absorbierte Lichtmenge. Messungen werden normalerweise bei einer Wellenlänge durchgeführt, die nahe dem Absorptionsmaximum für das interessierende Molekül in der Probe liegt.

Das folgende Diagramm zeigt die Elemente, die in einem typischen Spektralfotometer vorhanden sind. Die in den meisten Spektralphotometern verwendeten Lichtquellen emittieren entweder ultraviolettes oder sichtbares Licht. Hell
(Io) geht von einer Quelle zu einem Monochromator, der so eingestellt werden kann, dass nur Licht einer definierten Wellenlänge durchgelassen wird. Das monochromatische (I) Licht gelangt dann durch eine Küvette mit der Probe zu einem Detektor.

Das Spektralfotometer vergleicht den Anteil des Lichts, das durch den Monochromator (I0) auf das den Detektor erreichende Licht (I) und berechnet die Transmission (T) als I/I0. Die Extinktion (A) ist eine logarithmische Funktion der Transmission und wird wie folgt berechnet:

A = log10(1/T) = log10(ICH0/ICH)

Spektralphotometer können Daten entweder als % Transmission oder Extinktion ausdrücken. Die meisten Forscher ziehen es vor, Extinktionswerte zu sammeln, da die Extinktion einer Verbindung direkt proportional zu ihrer Konzentration ist. Erinnern Sie sich an das Lambert-Beer-Gesetz, das traditionell ausgedrückt wird als:

A =(varepsilon)b C

wobei (varepsilon) der molare Extinktionskoeffizient einer Verbindung ist, b die Länge des Lichtwegs durch die Probe ist und C die molare Konzentration der Verbindung ist. Küvetten werden so formuliert, dass sie einen Lichtweg von 1 cm aufweisen, und der molare Extinktionskoeffizient wird als L/Mol-cm ausgedrückt. Folglich ist die Extinktion ein einheitsloser Wert.


Spektren und was sie uns sagen können

Ein Spektrum ist einfach ein Diagramm oder eine Grafik, die die Intensität des emittierten Lichts über einen Energiebereich zeigt. Haben Sie schon einmal ein Spektrum gesehen? Wahrscheinlich. Die Natur macht schöne, die wir Regenbogen nennen. Sonnenlicht, das durch Regentropfen gesendet wird, wird verteilt, um seine verschiedenen Farben anzuzeigen (die verschiedenen Farben sind genau die Art und Weise, wie unsere Augen Strahlung mit leicht unterschiedlichen Energien wahrnehmen).

Spektroskopie kann sehr nützlich sein, um Wissenschaftlern zu helfen zu verstehen, wie ein Objekt wie ein Schwarzes Loch, ein Neutronenstern oder eine aktive Galaxie Licht erzeugt, wie schnell es sich bewegt und aus welchen Elementen es besteht. Spektren können für jede Lichtenergie erzeugt werden, von niederenergetischen Radiowellen bis hin zu sehr energiereichen Gammastrahlen.

Jedes Spektrum enthält eine Vielzahl von Informationen. Zum Beispiel gibt es viele verschiedene Mechanismen, durch die ein Objekt wie ein Stern Licht erzeugen kann. Jeder dieser Mechanismen hat ein charakteristisches Spektrum.


Implementierung einer optischen Sechs-rund-Eins-Sonde basierend auf diffuser Lichtspektroskopie zur Untersuchung zerebraler Eigenschaften in einem Mausmodell der Autismus-Spektrum-Störung

Die Lichtreflexionsspektroskopie (LRS) ist eine multispektrale Technik, die empfindlich auf die Absorptions- und Streueigenschaften biologischer Moleküle in Geweben reagiert. Es wird als nichtinvasives Werkzeug verwendet, um quantitative physiologische Informationen aus menschlichen Geweben und Organen zu extrahieren. Ein auf einer einzigen optischen Sonde basierendes Nahinfrarot-LRS wurde verwendet, um Veränderungen optischer und hämodynamischer Parameter in einem Mausmodell für Autismus zu überwachen. Es wurde ein Mausmodell für Autismus verwendet, der durch entwicklungsbedingte Exposition gegenüber Valproinsäure (VPA) induziert wurde. Da Autismus auf neuroanatomische Veränderungen zurückgeführt werden könnte, gehen wir davon aus, dass diese Veränderungen mit dem LRS nachgewiesen werden können, da die spektralen Eigenschaften sowohl von der molekularen Zusammensetzung als auch von strukturellen Veränderungen abhängen. Die faseroptische Sonde im Aufbau bestand aus sieben kleinen optischen Fasern: sechs Fasern für die Beleuchtung, die kreisförmig um eine zentrale einzelne Sammelfaser gelegt wurden. Insgesamt zeigen die Messungen Veränderungen in den diffusen Reflexionsspektren, den Eigenschaften des zerebralen optischen Gewebes (Absorption und Streuung) und den Chromophorniveaus. Außerdem konnten wir Unterschiede zwischen männlichen und weiblichen Gruppen feststellen. Schließlich wurde die Wirksamkeit von S-Adenosylmethionin als medikamentöse Therapie untersucht und es wurde festgestellt, dass es das hämodynamische Ergebnis verbessert. Nach unserem besten Wissen wird der LRS zum ersten Mal verwendet, um Variationen der Gehirnparameter bei den VPA-Autismus-Modellmäusen durch eine intakte Kopfhaut zu untersuchen.

© 2020 Optical Society of America

Huiyi Cheng, Jie Yu, Lingyu Xu und Jun Li
Biomed. Opt.-Nr. ausdrücken 10(3) 1383-1392 (2019)

Huilin Zhu, Yuebo Fan, Huan Guo, Dan Huang und Sailing He
Biomed. Opt.-Nr. ausdrücken 5(4) 1262-1274 (2014)

Oren Shaul, Michal Fanrazi-Kahana, Omri Meitav, Gad A. Pinhasi und David Abookasis
Appl. Opt.-Nr. 56(32) 8880-8886 (2017)

Jun Li, Lina Qiu, Lingyu Xu, Ernest V. Pedapati, Craig A. Erickson und Ulas Sunar
Biomed. Opt.-Nr. ausdrücken 7(10) 3871-3881 (2016)

Huilin Zhu, Jun Li, Yuebo Fan, Xinge Li, Dan Huang und Sailing He
Biomed. Opt.-Nr. ausdrücken 6(3) 690-701 (2015)

Verweise

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STARK SPECTROSCOPY: Anwendungen in Chemie, Biologie und Materialwissenschaften

AbstraktDie Stark-Spektroskopie wurde auf eine Vielzahl von molekularen Systemen und Materialien angewendet. Ein allgemein nützliches Verfahren zum Erhalten elektronischer und Schwingungs-Stark-Spektren, das keine hochentwickelte Ausrüstung erfordert, wird beschrieben. Durch die Arbeit mit gefrorenen Gläsern ist es möglich, nahezu jedes molekulare System, einschließlich Ionen und Proteine, zu untersuchen. Die quantitative Analyse der Spektren liefert Informationen über die mit einem Übergang verbundene Änderung des Dipolmoments und der Polarisierbarkeit. Die Änderung des Dipolmoments spiegelt den Grad der Ladungstrennung für einen Übergang wider, eine Größe, die für eine Vielzahl von Bereichen von Interesse ist. Die Polarisierbarkeitsänderung beschreibt die Empfindlichkeit eines Übergangs zu einem elektrostatischen Feld, wie es in einem Protein oder einem geordneten synthetischen Material gefunden wird. Anwendungen auf Donor-Akzeptor-Polyene, Übergangsmetallkomplexe (Metall-Ligand- und Metall-Metall-Mischvalenzübergänge) und nichtphotosynthetische biologische Systeme werden besprochen.


Diskussion

Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Installation von Beleuchtungstechnologien mit breiterem Spektrum in künstlich beleuchteten Lebensräumen wahrscheinlich die Fähigkeit von Tieren verbessert, nachts von Objekten in ihrer Umgebung reflektiertes Licht zu erkennen, und das Potenzial hat, größere Unterschiede in dieser Fähigkeit zwischen verschiedenen Klassen von Tier. Diese Verbesserungen bei der Objekterkennung unter Breitspektrum-Straßenlaternen wirken sich wahrscheinlich auf die Ausführung visuell geführter Verhaltensweisen bei Tieren aus, verändern ihre normalen Aktivitätszeiten und erweitern oder fragmentieren Lebensräume räumlich. Alle drei Breitspektrum-Beleuchtungstechnologien lieferten signifikante Verbesserungen in % λ0.5 Reichweite im Vergleich zu Schmalspektrum-LPS-Lampen. MH-Lampen lieferten die größten Verbesserungen in allen fünf taxonomischen Klassen. Daher erscheint dort, wo diese verwendet werden, eine größere Vielfalt von Objekten, die Licht in verschiedenen Bereichen des Lichtspektrums reflektieren, für Tiere im Vergleich zu alternativen Straßenlaternentechnologien heller und farbenfroher. Während LPS-Lampen Objekte beleuchten, die Licht über den kleinsten Bereich des Lichtspektrums reflektieren, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass Vögel und Säugetiere in Bereichen, die von LPS-Lampen beleuchtet werden, Objekte, die Licht in diesem Bereich reflektieren, besser erkennen können als Spinnentiere, Insekten und Reptilien. Die Einführung von Technologien mit einem breiteren Spektrum erhöht jedoch die Anzahl und das Ausmaß der Unterschiede zwischen den Tierklassen im Verhältnis des beleuchteten visuell erkennbaren Lichtspektrums, wobei Säugetiere und Vögel die größten Verbesserungen aufweisen. Die meisten Säugetiere besitzen im Vergleich zu Vögeln, Reptilien, Spinnentieren und Insekten (Abb. 2a, siehe Tabelle S1), die typischerweise Licht bei Wellenlängen unter 400 nm (UV) erkennen können, ein dichromatisches Sehvermögen, das einen weniger erweiterten Bereich des Lichtspektrums umfasst (Tovée, 1995 Briscoe .). & Chittka, 2001 Hart & Hunt, 2007 Osorio & Vorobyev, 2008). Vögel besitzen zwar UV-empfindliche Photorezeptoren, ihre Empfindlichkeit reicht jedoch im Vergleich zu Insekten, Spinnentieren und Reptilien weniger in die kürzeren Wellenlängen (Abb. 2a). Breitspektrumlampentypen stimulieren daher einen größeren Prozentsatz der λ0.5 bei Säugetieren und Vögeln im Allgemeinen im Vergleich zu anderen Tierklassen, was ihre Fähigkeit verbessert, visuell geführte Verhaltensweisen mit größerer Schärfe auszuführen, und möglicherweise das Gleichgewicht interspezifischer Interaktionen stört.

Unsere Ergebnisse geben einen Überblick darüber, wie sich die Verschiebung von künstlichen Lichtspektren wahrscheinlich auf das visuell geführte Verhalten in breiten taxonomischen Tiergruppen auswirkt. Allerdings ist die λ0.5 Die Bandbreite einzelner Arten kann innerhalb jeder taxonomischen Gruppe variabel sein, und daher ist Vorsicht geboten, wenn die Ergebnisse einer Gruppe im Allgemeinen auf eine bestimmte Art innerhalb dieser Gruppe angewendet werden. Zum Beispiel variiert die Anzahl der Photorezeptortypen in Insektenaugen zwischen verschiedenen Ordnungen (Tabelle S1), was zu einer Variation des Anteils von λ . führt0.5 Bereich, der von jeder Art von Kunstlicht beleuchtet wird. Außerdem ist die Anzahl der Arten, für die λmax Die in der Literatur verfügbaren Werte variieren zwischen den taxonomischen Gruppen (Tabelle S1), und obwohl die Hauptergebnisse dieser Studie wahrscheinlich nicht beeinflusst werden, ist die0.5 Die Reichweite wird sich unweigerlich anpassen, wenn Daten für mehr Arten und zusätzliche Photorezeptoren in den Gruppen vorliegen, die derzeit nicht gut untersucht sind (z. B. die Spinnentiere). Diese Ergebnisse sind daher nicht schlüssig, sondern sollten eher als eine Plattform für Vorhersagen betrachtet werden, die Anreize für weitere Studien zum Einfluss der Erweiterung der künstlichen Lichtspektren auf das visuell geführte Verhalten von Tieren bietet.

Die ökologischen Auswirkungen künstlicher Beleuchtung der nächtlichen Umgebung werden zunehmend erkannt (Frank, 2006 Stone et al., 2012 Titulaer et al., 2012 ), wobei einige Studien auf die potenziellen Auswirkungen von sich verschiebenden Spektralsignaturen aufmerksam machen (Eisenbeis, 2006 Stone et al., 2012). Diese Studie hat gezeigt, dass solche Veränderungen das visuell geführte Verhalten von Arten im gesamten Tierreich beeinflussen können. Die Bandbreite möglicher Auswirkungen ist vielfältig und kann die Verlängerung der Zeit der Nahrungssuche und des sexuellen Wettbewerbs von tag- und dämmerungsaktiven Tieren bis in die Nacht hinein umfassen (Robertson & Monteiro, 2005 Somanathan et al., 2009 Titel et al., 2012 ), Verbesserung sowohl der Beuteerkennung als auch der Raubtiervermeidung (Roth & Kelber, 2004), und verändert die Fähigkeit von Organismen, in ihrer Umgebung zu navigieren (Warrant et al., 2004 , Somanathan et al., 2008 Stein et al., 2009 van Langevelde et al., 2011 ) und beeinflusst die Fähigkeit bestäubender Arten, Nektarressourcen zu entdecken (Kelber et al., 2002 Hempel de Ibarra & Vorobyev, 2009). Ob eine Erweiterung der künstlichen Lichtspektren positive oder negative Speziesreaktionen hervorruft, hängt wahrscheinlich von der Spezies und dem in Betracht gezogenen Verhalten ab. Zum Beispiel erhöht das Vorhandensein von LED-Beleuchtung die Fütterungsrate bei nistenden Kohlmeisen Parus Major (Titel et al., 2012 ), während die Fledermaus Rhinolophus hipposideros vermeidet Bereiche, die von HPS und LED-Beleuchtung beleuchtet werden (Stone et al., 2009, 2012) möglicherweise aufgrund des wahrgenommenen Prädationsrisikos (Rydell, 1992). Metallhalogenidlampen (MH) bieten wahrscheinlich die größten Verbesserungen beim Sehen von Tieren, da sie Licht ausstrahlen, das sowohl breit ist als auch UV in seiner spektralen Zusammensetzung enthält. Viele der oben genannten Aufgaben hängen von der Wahrnehmung von UV-Licht ab, das von Objekten durch Tiere reflektiert wird, die Licht dieser Wellenlängen erkennen können. Daher kann die Einführung von UV-haltigen Breitspektrum-Beleuchtungstechnologien weitreichendere Folgen für biologische Systeme haben als Nicht-UV-Breitspektrum-Beleuchtungstechnologien. Alle drei Breitbandtechnologien erzeugen jedoch größere Unterschiede in % λ0.5 zwischen Tiergruppen verglichen mit Schmalspektrum-LPS-Lampen und haben daher ein größeres Potenzial, das Gleichgewicht interspezifischer Wechselwirkungen in der Umwelt zu verändern. Die Bewertung der direkten Umweltauswirkungen jedes dieser verschiedenen Lampentypen ist in einer Welt, in der die künstlich beleuchtete nächtliche Umgebung zunehmend „weiß“ wird, eindeutig unerlässlich.