Time-Resolved Synchronous Fluorescence for Biomedical Diagnosis.

This article presents our most recent advances in synchronous fluorescence (SF) methodology for biomedical diagnostics. The SF method is characterized by simultaneously scanning both the excitation and emission wavelengths while keeping a constant wavelength interval between them. Compared to conventional fluorescence spectroscopy, the SF method simplifies the emission spectrum while enabling greater selectivity, and has been successfully used to detect subtle differences in the fluorescence emission signatures of biochemical species in cells and tissues. The SF method can be used in imaging to analyze dysplastic cells in vitro and tissue in vivo. Based on the SF method, here we demonstrate the feasibility of a time-resolved synchronous fluorescence (TRSF) method, which incorporates the intrinsic fluorescent decay characteristics of the fluorophores. Our prototype TRSF system has clearly shown its advantage in spectro-temporal separation of the fluorophores that were otherwise difficult to spectrally separate in SF spectroscopy. We envision that our previously-tested SF imaging and the newly-developed TRSF methods will combine their proven diagnostic potentials in cancer diagnosis to further improve the efficacy of SF-based biomedical diagnostics.

Laser-Induced Fluorescence Measurements of Absolute Atomic Densities: Concepts and Limitations

The potential of laser-induced fluorescence spectroscopy of atoms is reviewed with emphasis on the determination of absolute densities. Examples of experiments with single-photon and two-photon excitation are presented. Calibration methods applicable with the different schemes are discussed. A new method is presented that has the potential to allow absolute measurement in plasmas of elevated pressure where collisional depletion of the excited state is present.

Métodos "verdes" de produção de nanomateriais que promovem nanotecnologias sustentáveis

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Fluorescence spectra and ab initio theoretical studies of HCOOH /

A fluorescence excitation spectrum of formic acid monomer (HCOOH) , has been recorded in the 278-246 nm region and has been attributed to an n >7r* electron promotion in the anti conformer. The S^< S^ electronic origins of the HCOOH/HCOOD/DCOOH/DCOOD isotopomers were assigned to weak bands observed at 37431.5/37461.5/37445.5/37479.3 cm'''. From a band contour analysis of the 0°^ band of HCOOH, the rotational constants for the excited state were estimated: A'=1.8619, B'=0.4073, and C'=0.3730 cm'\ Four vibrational modes, 1/3(0=0), j/^(0-C=0) , J/g(C-H^^^) and i/,(0-H^yJ were observed in the spectrum. The activity of the antisymmetric aldehyde wagging and hydroxyl torsional modes in forming progressions is central to the analysis, leading to the conclusion that the two hydrogens are distorted from the molecular plane, 0-C=0, in the upper S. state. Ab initio calculations were performed at the 6-3 IG* SCF level using the Gaussian 86 system of programs to aid in the vibrational assignments. The computations show that the potential surface which describes the low frequency OH torsion (twisting motion) and the CH wagging (molecular inversion) motions is complex in the S^ excited electronic state. The OH and CH bonds were calculated to be twisted with respect to the 0-C=0 molecular frame by 63.66 and 4 5.76 degrees, respectively. The calculations predicted the existence of the second (syn) rotamer which is 338 cm'^ above the equilibrium configuration with OH and CH angles displaced from the plane by 47.91 and 41.32 degrees.

Étude du couplage entre les sous-unités du canal potassique KcsA par des mesures de spectroscopie de fluorescence en canal unitaire

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude des mécanismes moléculaires de formation des pores des toxines formeuses de pores par la spectroscopie de fluorescence

Les toxines formeuses de pore (PFTs) sont des protéines exogènes responsables d’un grand nombre de maladies infectieuses qui perméabilisent les membranes cellulaires de leur hôte. La formation des pores ou l’introduction d’une enzyme dans le cytoplasme peut entrainer l’apparition de symptômes de maladies connues (l’anthrax, le botulisme) et, dans le pire des cas, la mort. Les mécanismes d’infection et de destruction des cellules infectées sont bien caractérisés. Toutefois, l’aspect dynamique des changements de conformation durant le processus de perméabilisation reste à découvrir pour la majorité des toxines formeuses de pore. Le but de cette thèse est d’étudier les mécanismes d’oligomérisation des PFTs, ainsi que la formation des pores à la membrane lipidique grâce à la spectroscopie de fluorescence. Nous avons choisi la toxine Cry1Aa, un bio pesticide produit par le bacille de Thuringe et qui a été rigoureusement caractérisé, en tant que modèle d’étude. La topologie de la Cry1Aa à l’état actif et inactif a pu être résolue grâce à l’utilisation d’une technique de spectroscopie de fluorescence, le FRET ou transfert d’énergie par résonance entre un fluorophore greffé au domaine formeur de pore (D1) et un accepteur non fluorescent (le DPA ou dipicrylamine) localisé dans la membrane et qui bouge selon le potentiel membranaire. Le courant électrique, ainsi que la fluorescence provenant de la bicouche lipidique membranaire horizontale ont été enregistrés simultanément. De cette manière, nous avons pu localiser toutes les boucles reliant les hélices de D1 avant et après la formation des pores. Dans la forme inactive de la toxine, toutes ces boucles se trouvent du côté interne de la bicouche lipidique, mais dans sa forme active l’épingle α3-α4 traverse du côté externe, alors que toutes les autres hélices demeurent du côté interne. Ces résultats suggèrent que α3-α4 forment le pore. Nous avons découvert que la toxine change significativement de conformation une fois qu’elle se trouve dans la bicouche lipidique, et que la Cry1Aa attaque la membrane lipidique de l’extérieur, mais en formant le pore de l’intérieur. Dans le but de caractériser la distribution de toxines à chaque extrémité de la bicouche, nous avons utilisé une technique de double FRET avec deux accepteurs ayant des vitesses de translocation différentes (le DPA et l’oxonol) dans la membrane lipidique. De cette manière, nous avons déterminé que la toxine était présente des deux côtés de la bicouche lipidique durant le processus de perméabilisation. La dynamique d’oligomérisation de la toxine dans une bicouche lipidique sans récepteurs a été étudiée avec une technique permettant le compte des sauts de fluorescence après le photoblanchiment des fluorophore liés aux sous unités composant un oligomère présent dans la bicouche lipidique supportée. Nous avons confirmé de cette manière que la protéine formait ultimement des tétramères, et que cet état résultait de la diffusion des monomères de toxine dans la bicouche et de leur assemblage subséquent. Enfin nous avons voulu étudier le « gating » de la colicine Ia, provenant de la bactérie E.Coli, dans le but d’observer les mouvements que font deux positions supposées traverser la bicouche lipidique selon le voltage imposé aux bornes de la bicouche. Nos résultats préliminaires nous permettent d’observer un mouvement partiel (et non total) de ces positions, tel que le suggèrent les études de conductances du canal.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Untersuchung von Autoionisationsresonanzen in Krypton und Xenon mit photoneninduzierter Fluoreszenzspektroskopie nach Anregung mit schmalbandiger Synchrotronstrahlung

Die photoneninduzierte Fluoreszenzspektroskopie (PIFS) wurde als Methode zur Untersuchung von Fluoreszenzspektren der Edelgasatome Krypton und Xenon nach Anregung mit Synchrotronstrahlung des Elektronenspeicherrings BESSY II, Berlin, benutzt. Die Anregung der Edelgase erfolgte bei Zimmertemperatur und einem Druck von 40mTorr mit extrem schmalbandiger Strahlung mit DeltaE=3meV bei 21,55eV. Die untersuchten Anregungsenergiebereiche waren bei Krypton zwischen 29,4eV und 29,8eV und bei Xenon zwischen 23,74eV und 23,80eV, zwischen 24,4eV und 24,7eV und zwischen 25,25eV und 25,5eV. Die Anregungsenergiebereiche waren so gewählt, um Autoionisationsresonanzen untersuchen zu können, die erstmalig von Codling und Madden [J. Res. Nat. B. Stan. 1972, 76A, 1-12] veröffentlicht worden sind. Besonders die Besetzung in Abhängigkeit der Anregungsenergie von Satellitenzuständen in den jeweiligen einfach geladenen Ionen durch vorherige Anregung der genannten Autoionisationsresonanzen war der Fokus der vorliegenden Arbeit.

Estabilitat conformacional de variants de la ribonucleasa A: pressió i temperatura com a inductors dels desplegament proteic

A fi d'analitzar la contribució de la regió C-terminal proposada com a iniciadora del plegament (CFIS 106-118) a l'estabilitat de l'RNasa A, els residus alifàtics d'aquesta regió es van substituir, mitjançant mutagènesi dirigida, per altres residus en els quals la cadena lateral alifàtica era rogressivament escurçada. La major part de les substitucions projectades suposaven delecions no disruptives de grups metil(è). A més, es va reemplaçar la Tyr115 per un Trp, de manera que, potencialment, s'introduïa una única sonda fluorescent, no desestabilitzant, per tal de seguir els canvis conformacionals que es poguessin generar en la regió durant el procés de legament/desplegament de la proteïna. Tant els paràmetres cinètics, com els espectres d'FTIR i CD, determinats per cadascuna de les ribonucleases variants, indiquen que els reemplaçaments aminoacídics efectuats presenten, en general, poc o cap efecte en l'estructura nativa i en l'activitat de l'enzim. Es va emprar l'espectroscòpia d'absorció a l'ultraviolat de quarta derivada, la fluorescència (per la variant amb Trp) i l'espectroscòpia d'infraroig per transformada de Fourier, per tal de seguir i caracteritzar, en condicions d'equilibri, les transicions conformacionals de cada variant en funció de la pressió i de la temperatura. Els resultats es van comparar amb els que es van obtenir per la proteïna salvatge. Per determinar més a fons les característiques del procés de desplegament de la variant Y115W, les transicions de desnaturalització induïdes per urea d'aquesta variant i de la proteïna salvatge, van ésser examinades per mitjà d'electroforesi en gradient d'urea i espectroscòpia de fluorescència. Curiosament, els canvis conformacionals que resulten de la desnaturalització per pressió són molt semblants als que s'obtenen per temperatura. Enfront d'un augment gradual tant de pressió com de temperatura, l'estructura terciària i els elements d'estructura secundària de les proteïnes estudiades es perden de manera conjunta i reversible. Aquestes variacions estructurals que es promouen descriuen un procés de desplegament molt cooperatiu i en dos estats. Atès que ambdues tècniques (UV i FTIR) utilitzen cadascuna un règim de concentració proteica molt diferent, els resultats indiquen que el procés de desplegament per pressió i per temperatura és intramolecular. Els resultats obtinguts suggereixen que la hidrofobicitat i el volum de les cadenes laterals del CFIS, juntament amb les interaccions de van der Waals entre elements d'estructura secundària intervenen de manera molt notable en l'estabilització de la proteïna. Entre els diferents aminoàcids alifàtics que pertanyen al CFIS C-terminal, la Val108 és el residu més important per tal de preservar la integritat estructural de l'estat natiu. Els reemplaçaments en aquesta posició causen petites alteracions conformacionals i una gran desestabilització de la proteïna (per exemple, el punt mig de la transició de desnaturalització per pressió i per temperatura de la variant V108G disminueix uns 592 MPa i 25ºC, respectivament, respecte a la proteïna salvatge). D'acord amb els resultats obtinguts, la variant Y115W ofereix una sonda útil per tal de seguir la cinètica de plegament/desplegament de l'RNasa A.

Noninvasive Evaluation of Oral Lesions Using Depth-sensitive Optical Spectroscopy

BACKGROUND: Optical spectroscopy is a noninvasive technique with potential applications for diagnosis of oral dysplasia and early cancer. In this study, we evaluated the diagnostic performance of a depth-sensitive optical spectroscopy (DSOS) system for distinguishing dysplasia and carcinoma from non-neoplastic oral mucosa. METHODS: Patients with oral lesions and volunteers without any oral abnormalities were recruited to participate. Autofluorescence and diffuse reflectance spectra of selected oral sites were measured using the DSOS system. A total of 424 oral sites in 124 subjects were measured and analyzed, including 154 sites in 60 patients with oral lesions and 270 sites in 64 normal volunteers. Measured optical spectra were used to develop computer-based algorithms to identify the presence of dysplasia or cancer. Sensitivity and specificity were calculated using a gold standard of histopathology for patient sites and clinical impression for normal volunteer sites. RESULTS: Differences in oral spectra were observed in: (1) neoplastic versus nonneoplastic sites, (2) keratinized versus nonkeratinized tissue, and (3) shallow versus deep depths within oral tissue. Algorithms based on spectra from 310 nonkeratinized anatomic sites (buccal, tongue, floor of mouth, and lip) yielded an area under the receiver operating characteristic curve of 0.96 in the training set and 0.93 in the validation set. CONCLUSIONS: The ability to selectively target epithelial and shallow stromal depth regions appeared to be diagnostically useful. For nonkeratinized oral sites, the sensitivity and specificity of this objective diagnostic technique were comparable to that of clinical diagnosis by expert observers. Thus, DSOS has potential to augment oral cancer screening efforts in community settings. Cancer 2009;115:1669-79. (C) 2009 American Cancer Society.

Autofluorescence spectroscopy in liver transplantation: Preliminary results from a pilot clinical study

The evaluation of graft function at various stages after transplantation is relevant, particularly at the moment of organ harvest, when a decision must be made whether to use the organ. Autofluorescence spectroscopy is noninvasive technique to monitor the metabolic condition of a liver graft throughout its course, from an initial evaluation in the donor, through cold ischemia transportation, to reperfusion and reoxygenation in the recipient. Preliminary results are presented in six liver transplantations spanning the periods from liver harvest to implant. The laser-induced fluorescence spectrum at 532-mn excitation was investigated before cold perfusion (autofluorescence), during cold ischemia, at the back table procedure, as well as 5 and 60 minutes after reperfusion. The results showed that the fluorescence analysis was sensitive to changes during the transplantation procedure. Fluorescence spectroscopy potentially provides a real-time, noninvasive technique to monitor liver graft function. The information could potentially be valuable for surgical decisions and transplant success.

Polymethine cyanine dyes in beta-cyclodextrin solution: multiple equilibria and chemical oxidation

Absorption and fluorescence spectroscopy, electrochemical techniques, and semiempirical calculations were employed to characterize the multiple complexation equilibria between two polymethine cyanine dyes (IR-786 and Indocyanine green-ICG, 5) and beta-cyclodextrin (beta-CD, L), as well as the chemical reactivity of the complexed and uncomplexed species against the oxidizing agents hypochlorite (HC) and hydrogen peroxide (HP). IR-786 dimerization is favored with the increase in beta-CD concentration in the form of (SL)(2) complexes. In the case of ICG, free dimers (D) and SL complexes are favored. Both IR-786 and ICG react and discolor in the presence of HC and HP. For IR-786, the reaction with HP and HC proceeds with observed rate constants of 10(-3) and 0.28 s(-1) and second-order rate constants (k(2)) of similar to 10(-3) and 10(4) M(-1) s(-1), respectively. The intermediate species observed in the bleaching reactions of IR-786 and ICG were shown, by cyclic voltammetry and VIS absorption, to result from one electron oxidation. IR-786 complexed with beta-CD is protected against bleaching in the presence of HP and HC by factors of 20 and 4, respectively. This protection was not observed in ICG complexes. Superdelocalizability profile of both dyes and frontier orbital analysis indicates that beta-CD does not protect ICG from oxidation by HP or HC, whereas the 2:2 IR-786/beta-Cd complex is able to avoid the oxidation of IR-786. We concluded that the decrease in the chemical reactivity of the dyes against oxidant agents in the presence of beta-CD is due to the formation of (SL)(2) complexes. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Relationship between DNA damage and sperm head birefringence

Birefringence or double refraction is the decomposition of a ray of light into two rays when it passes through an anisotropic material such as quartz. Sperm cells have been demonstrated to be optically anisotropic. The objective of this study was to evaluate the relationship between the pattern of human sperm head birefringence (SHBF) and DNA damage. A total of 26 patients with normal semen were included. DNA damage (fragmentation and denaturation) was evaluated in the sperm head in the context of birefringence, both total (SHBF-T) and partial (SHBF-P), by terminal deoxyribonucleotidyl transferase (TdT)-mediated dUDP nick-end labelling assay and acridine orange fluorescence, respectively. Positive DNA fragmentation in spermatozoa with SHBF-T (205/1053; 19.5%) was significantly higher (P < 0.0001) than in spermatozoa that presented SHBF-P (60/820; 7.3%). However, the percentage of denatured DNA in spermatozoa with SHBF-T (824/1256; 65.6%) was not significantly different from the ones with SHBF-P (666/1009; 66.0%). In conclusion, the data support a positive relationship between spermatozoa with total SHBF in their head and increased DNA fragmentation. (C) 2011, Reproductive Healthcare Ltd. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Assessment of maturity degree of composts from domestic solid wastes by fluorescence and fourier transform infrared spectroscopies

Methods of assessment of compost maturity are needed so the application of composted materials to lands will provide optimal benefits. The aim of the present paper is to assess the maturity reached by composts from domestic solid wastes (DSW) prepared under periodic and permanent aeration systems and sampled at different composting time, by means of excitation-emission matrix (EEM) fluorescence spectroscopy and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). EEM spectra indicated the presence of two different fluorophores centered, respectively, at Ex/Em wavelength pairs of 330/425 and 280/330 nm. The fluorescence intensities of these peaks were also analyzed, showing trends related to the maturity of composts. The contour density of EEM maps appeared to be strongly reduced with composting days. After 30 and 45 days of composting, FT-IR spectra exhibited a decrease of intensity of peaks assigned to polysaccharides and in the aliphatic region. EEM and FT-IR techniques seem to produce spectra that correlate with the degree of maturity of the compost. Further refinement of these techniques should provide a relatively rapid method of assessing the suitability of the compost to land application.

A laser-induced fluorescence spectroscopic study of organic matter in a Brazilian Oxisol under different tillage systems

Laser-induced fluorescence (LIF) spectroscopy has been proposed as new method for determining the degree of humification of organic matter (OM) in whole soils. It can be also used to analyze the OM in whole soils containing large amounts of paramagnetic materials, and which are neither feasible to Electron Paramagnetic Resonance (EPR) nor to C-13 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy. In the present study, 3 LIF spectroscopy was used to investigate the OM in a Brazilian Oxisol containing high concentration of Fe+3. Soil samples were collected from two areas under conventional tillage (CT), two areas under no-till management (NT) and from a non-cultivated (NC) area under natural vegetation. The results of LIF spectroscopic analysis of the top layer (0-5 cm) of whole soils showed a less aromatic OM in the non-cultivated than in the cultivated soils. This is consistent with data corresponding to HA samples extracted from the same soils and analyzed by EPR, NMR and conventional fluorescence spectroscopy. The OM of whole soils at 5-10 and 10-20 cm depth was also characterized by LIF spectroscopy.Analysis of samples of NT and NC soils showed a higher OM aromatic content at depth. This is a consequence of the accumulation of plant residues at the soil surface in quantities that are too large for microorganisms to metabolize fully, thus, resulting in less aromatic or less hurnified humic substances. In deeper soil layers, the input of residues was lower and further decomposition of humic substances by microorganisms continued, and the aromaticity and degree of humification increased with soil depth. This data indicates that the gradient of humification of OM in the NT soil was similar to those observed in natural soils. Nevertheless, the degree of humification of the OM in the soils under no-till management varied less than that corresponding to non-cultivated soils. This may be because the former have been managed under these practices for only 5 years, in contrast to the continuous humification process occurring in the natural soils. on the other band, LIF spectroscopic analysis of the CT soils showed less pronounced changes or no change in the degree of humification with depth. This indicates that the ploughing and harrowing involved in CT lead to homogenization of the soil and thereby also of the degree of humification of OM throughout the profile. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.