傅里叶变换红外光谱成像的活细胞

詹妮弗·a .杜德恒和谢尔盖·g . Kazarian

伦敦帝国理工学院化学工程系,SW7 2 az,英国。电子邮件:(电子邮件保护)

介绍

的开发工具,使测量的生物对外部刺激做出的反应,原位悄悄地和化学信息的方式,是我们不可或缺的生物医学应用程序交付结果的能力。傅里叶变换红外(ir)和拉曼光谱学已经在这个领域做出了重大贡献。¹生产分子特定的、信息丰富的光谱,这些非破坏性技术提供了机会来解释成键和环境生物学上重要的变化情况。用傅立叶变换红外光谱,再半岛综合体育官方APP下载德甲加上一个焦平面阵列探测器(FPA),现在可以获得化学活细胞的图像。^2,3在这里,我们介绍一些最初的这一领域的发展。

从历史上看,这是具有挑战性的获得有意义的信息从红外光谱测量在水环境中由于水的吸收力强,不仅在中地区。主要吸收带发生约3600厘米¹和1640厘米¹由于哦拉伸和弯曲模式,分别。然而,干等组织和细胞样品已经通过红外光谱特征。半岛综合体育官方APP下载德甲近年来,水环境所呈现的挑战已经被使用减轻衰减全反射傅立叶变换红外光谱(ATR)半岛综合体育官方APP下载德甲²或者,在传输测量模式下,精心准备的样品,³或者使用一个同步源的红外辐射。⁴傅立叶变换红外光谱测量在水环境中非常重要,因为它允许将红外成像应用于活细胞。成像,而不是映射,同时记录所有光谱和简单的治疗获得数据的产生“化学照片”;这是示意图见图1。

傅立叶变换红外光谱成像

傅立叶变换红外光谱成像是通过耦合分光计和焦平面阵列探测器(FPA)。产生一个谱,而是FPA detector-a网格探测器(通常是64×64或128×128的元素)允许成千上万的光谱同时记录。因为全谱得到每一点的样品同时,由此产生的图像是幽灵似地,时空上解决。这在动态系统的研究有着重要的影响。

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的技术细节和生物应用ATR红外光谱此前就已被描述。半岛综合体育官方APP下载德甲^5,6,7一些功能简要描述,说明这种方法的适用性分析水的生物样本。ATR红外光谱是由红半岛综合体育官方APP下载德甲外光线之间的交互成为可能和一个吸收样本在其接口与高折射率材料。入射光照射到一个红外透明高折射率的材料,一个内部反射元素[(愤怒),例如,ATR晶体),超过临界角度。ATR晶体之间的接口和样品折射率较低,内部光反射产生的隐失波穿透到样品。在离散的红外吸收频率的样本结果衰减入射红外的光。这个过程耦合与单个元素红外探测器和光谱仪产生ATR红外光谱。

隐失波通常渗透到样品只有0.2 5µm(当定义的深度渗透)。确切的值取决于许多参数,如材料的折射率、光的波长和入射角。然而,小的深度渗透的结果在一个小有效通路长度。在实践中,这意味着样品可以分析在存在高度吸收物种诸如水没有光谱区域的完整性丧失兴趣。

ATR红外光谱成像的活细胞

单一反射ATR红外光谱成像的光学可进行设置了其他地方。⁵这些不同的方法包括使用钻石,Si或奈米,愤怒的大样本室到通用电气的愤怒加上一个红外显微镜。这些选项提供一个大的选择的视野和空间分辨率。最好的空间分辨率是获得使用微ATR红外光谱成像;我。e Ge ATR目标加上一个红外显微镜。这种方法最近被用于研究蛋白质的结晶。⁸微ATR的视野ca64年µm×64µm的空间分辨率ca4µm(不仅在中“指纹区”。这是有吸引力的,因为它允许细胞研究亚细胞组分是形象化。在某些情况下,然而,它可能是更相关的研究细胞数量和他们对环境刺激的反应。在这种情况下,宏观ATR红外光谱,利用钻石的愤怒,在一个大样品室可能会更好。这里的视野通常是500µm×700µm 15 - 20µm的空间分辨率。视图和空间分辨率使ATR红外成像与细胞相关调查和研究,如前所述,ATR红外光谱的小渗透深度允许测量在水环境中。半岛综合体育官方APP下载德甲它是必要的,以确保细胞密切接触ATR水晶。这是通过直接培养癌细胞附着在ATR水晶,图2 (a)。^2,6一层薄薄的poly-L-lysine被用来促进细胞间附着力好,ATR元素表面。微ATR方法允许亚细胞区域标识,见图2 (c)。酰胺二世乐队在1535厘米¹通常表示蛋白质的存在;策划的分布综合吸光度,乐队允许细胞在水晶的位置。区域对应于细胞核被观察到策划的分布综合吸光度DNA的磷酸拉伸带,1084厘米¹。由1023厘米Glycogen-rich地区被确定¹乐队。由于糖原水平与异常或疾病,它感兴趣的是能够识别定量在单个细胞或细胞群。宏成像²为了观察细胞饥饿人口的反应,见图3。细胞培养和允许坚持钻石ATR晶体。磷酸缓冲盐交换媒体(不为细胞的生长提供营养或食物)和监测糖原水平作为时间的函数,允许细胞饥饿观察通过红外成像。酰胺二世和DNA乐队还观察到90分钟后,表明细胞仍然附着在表面,而有一个集成的吸光度显著减少糖原的乐队。相比之下,3 h后介质替代,减少所有乐队ATR晶体表面的细胞分离应对饥饿。²

传输模式红外成像的活细胞

正如前面提到的,通常情况下,传输方式的测量活细胞仅限于使用同步加速器红外源为了克服的一些困难与水的强大的红外吸光度模糊乐队感兴趣的。最近,活细胞研究了在传输模式成像不仅使用传统的碳硅棒中源,看,例如,图4所示。³微流控设备准备厚红外透明窗口(CaF之间₂),细胞培养基。细胞坚持窗口底部密封设备之前10µm使用垫片的厚度。通过厚红外成像测量透明窗户遭受色差导致wavelength-dependent集中在z方向的传播。两个CaF的使用₂窗户之上和之下的眼镜,仔细定位,消除这个色差允许所有波长集中在同一点,图4 (a)。³通过使用这种方法,可以清晰地图像细胞位置根据酰胺二世乐队,图4 (b)。有放大效应的伪球面安排允许亚细胞差异得到解决。从细胞中提取的平均光谱表明DNA / RNA构象的变化在细胞传播,图4 (c)。传输测量模方法进一步扩展研究活细胞液滴的媒体中创建石油流。³单个液滴在微流体装置生产含有一个或两个单元每滴。虽然细胞无法成像在流,一旦固定,可以实现单个细胞的成像,开放的可能性单细胞研究离散环境与化学成像。

结论

活细胞使用标准的碳硅棒红外光源光谱成像研究显示有前景的结果在ATR和传输测量模式。这是一个令人兴奋的领域的生物医学研究的机会来检验各种环境刺激的影响。通过结合红外光谱成像方法与微流体设备,研究活细胞的机会通过红外成像在受控环境中现在是可能的,在这个领域中做进一步的工作正在作者的实验室。

引用

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