돔과 세미

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3165(2023) 이 기사 인용

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마이크로미터 크기 샘플의 적외선 현미경 검사는 Mie 산란으로 인한 강한 산란 왜곡으로 인해 어려움을 겪는다는 것은 잘 알려져 있습니다. 생물학적 시료의 적외선 흡광도 스펙트럼에서 Mie 산란 특징을 모델링하고 제거하기 위한 최첨단 전처리 기술은 완벽한 구체를 위한 메타 모델을 기반으로 구축되었습니다. 그러나 비구형 셀 모양은 예외가 아닌 표준이므로 변형된 구형 시스템에 대한 이 전처리 기술의 유효성을 평가하는 것은 매우 관련성이 높습니다. 이러한 사례를 다루면서 우리는 변형된 개별 세포와 작은 세포의 모델 시스템으로서 3D 프린팅된 개별 돔, 최대 5개 돔의 행, 다양한 거리를 가진 2개의 돔, 다양한 길이의 반캡슐의 흡광도 스펙트럼을 수치적으로나 실험적으로 조사합니다. 클러스터. 우리는 개별 돔 사이의 결합 효과가 작으며 구에 대한 이전 관련 문헌 결과를 확증합니다. 또한 광학적 상호성은 상단 조명과 하단 조명에 대해 동일한 소멸 효율을 보장하지만 산란체의 내부 필드는 이 두 가지 상황에서 크게 다를 수 있다는 점을 지적하고 예를 들어 설명합니다. 마지막으로 우리는 구형 생물학적 시스템의 적외선 스펙트럼을 전처리하기 위한 ME-EMSC 모델이 변형된 구형 시스템에도 유효하다는 것을 입증합니다.

현재까지 중적외선 스펙트럼 범위에서 생물학적 및 무생물 샘플의 진동 분광학을 수행하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 강력한 기술이 있습니다. 그 중에는 라만 분광법1, 중성자 분광법2, 광음향 분광법3,4,5,6, 전자 에너지 손실 분광법7 등이 있습니다. 그러나 다양한 시료의 생화학적 특성 분석을 위해 지금까지 가장 널리 사용되는 분석 기술은 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)8,9,10,11입니다. 따라서 이 기술의 성능을 더욱 높이고 적용 가능성을 확장하는 것이 본 논문의 초점입니다. 생물학적 FTIR 박막 스펙트럼의 획득, 수정 및 해석은 확립된 기술을 기반으로 하지만 개별 생물학적 세포 및 작은 세포 집합체의 FTIR 분광학 분야에서는 아직 수행해야 할 많은 작업이 남아 있습니다. 적외선 복사선의 파장과 거의 같은 크기의 생물학적 세포가 매우 효과적인 산란자라는 것은 잘 알려져 있습니다. 인간 세포의 적외선 분광학에서 관찰된 강한 산란 시그니처는 Mohlenhoff et al.에 의해 Mie형 산란에 기인한 것입니다. 그 이후로 구형 모델 시스템은 생물학적 시스템13,14,15,16에서 산란 시그니처를 모델링하고 제거하는 데 자주 사용되었습니다. Mie 산란의 두 가지 주요 기여는 흔들림과 잔물결입니다. 흔들림은 간섭 효과17로 인해 발생하는 장거리 진동입니다. 그들은 적외선 소멸 스펙트럼의 평균 동작을 결정합니다. 잔물결은 흔들림 위에 겹쳐진 날카로운 봉우리입니다. 이는 형상 공명, 즉 샘플 내부의 정재파로 인해 발생합니다18.

그러나 구형 모델 시스템이 적외선 분광 측정에서 생물학적 세포를 설명하는 데 적합한지는 잘 알려져 있지 않습니다. 대부분의 생물학적 세포는 완전한 구형이 아닐 것으로 예상되며 자연에서는 다양한 모양이 일반적으로 관찰됩니다. 예로는 박테리아, 효모 및 조류가 있으며 구형부터 회전타원체 및 길쭉한 캡슐 모양까지 다양한 모양을 나타냅니다. 또한 적외선 현미경 슬라이드에 세포를 올려놓으면 슬라이드에 달라붙어 모양이 변형될 수 있다. 대조적으로, 구조적으로 안정적인 샘플(예: 꽃가루 입자)은 슬라이드에 놓일 때 구형 모양을 유지할 것으로 예상됩니다. 이것은 꽃가루 입자의 광학 현미경으로 볼 수 있습니다. 적외선 흡광도 측정에서 꽃가루 알갱이는 흔들림과 잔물결19을 모두 포함하여 완벽한 미에 산란 시그니처에 가깝게 표시됩니다. 잔물결은 산란체의 모양에 민감하며, 모양 변형이 적외선 스펙트럼의 잔물결을 억제하거나 제거할 수 있는 것으로 나타났습니다. 따라서 광학 현미경으로 직접 관찰하는 것 외에도 잔물결이 있다는 것은 꽃가루 알갱이가 구형 모양을 유지한다는 추가 표시입니다.