Relationships between crown architecture and available irradiance in two cerrado species with different leaf phenologies

Structural differences between cerrado species with different leaf phenologies are linked to crown architecture, leaf production, and biomass allocation to shoots and leaves. The present study characterized crown structures and the patterns of biomass allocation to leaves and shoots in two woody cerrado species with contrasting leaf phenologies and quantified the irradiance reaching their leaves to determine the best period during the day for photosynthetic activity. The shoots and leaves of five individuals of both Annona coriacea (deciduous) and Hymenaea stigonocarpa (evergreen) were collected along a 50 m transect in a cerrado fragment within the urban perimeter of Catalão - GO, to determine their patterns of biomass allocation in their crowns. The evergreen H. stigonocarpa had significantly higher mean values of shoot inclination (SI), petiole length (PL), leaf area (LA), leaf display index (LDI), and individual leaf area per shoot (ILA), while the deciduous species A. coriacea had significantly higher leaf numbers (LN). The more complex crown of H. stigonocarpa had shoots in more erect positions (orthotropic), with intense self-shading within shoots; A. coriacea, on the other hand, had slanting (plagiotropic) shoots in the crown, allowing similar irradiance levels to all leaf surfaces. The production of plagiotropic shoots by the deciduous species (A. coriacea) is a strategy that enables its use of incident sunlight early in the morning and preventing excessive water loss or excessive irradiance. Hymenaea stigonocarpa (an evergreen), by contrast, had orthotropic shoots and uses intense self-shading as a strategy to avoid excessive irradiance, especially at midday. Differences in crown architectures between evergreen and deciduous species of cerrado sensu stricto can therefore be viewed as adaptations to the environmental light regime.

Use of single photon emission computed tomography and magnetic resonance to evaluate central nervous system involvement in patients with juvenile systemic lupus erythematosus

The objective of the present study was to identify the single photon emission computed tomography (SPECT) and magnetic resonance (MR) findings in juvenile systemic lupus erythematosus (JSLE) patients with CNS involvement and to try to correlate them with neurological clinical history data and neurological clinical examination. Nineteen patients with JSLE (16 girls and 3 boys, mean age at onset 9.2 years) were submitted to neurological examination, electroencephalography, cerebrospinal fluid analysis, SPECT and MR. All the evaluations were made separately within a period of 15 days. SPECT and MR findings were analyzed independently by two radiologists. Electroencephalography and cerebrospinal fluid analysis revealed no relevant alterations. Ten of 19 patients (53%) presented neurological abnormalities including present or past neurological clinical history (8/19, 42%), abnormal neurological clinical examination (5/19, 26%), and abnormal SPECT or MR (8/19, 42% and 3/19, 16%, respectively). The most common changes in SPECT were cerebral hypoperfusion and heterogeneous distribution of blood flow. The most common abnormalities in MR were leukomalacia and diffuse alterations of white matter. There was a correlation between SPECT and MR (P<0.05). We conclude that SPECT and MR are complementary and useful exams in the evaluation of neurological involvement of lupus.

Performance assessment of the single photon emission microscope: high spatial resolution SPECT imaging of small animal organs

The single photon emission microscope (SPEM) is an instrument developed to obtain high spatial resolution single photon emission computed tomography (SPECT) images of small structures inside the mouse brain. SPEM consists of two independent imaging devices, which combine a multipinhole collimator, a high-resolution, thallium-doped cesium iodide [CsI(Tl)] columnar scintillator, a demagnifying/intensifier tube, and an electron-multiplying charge-coupling device (CCD). Collimators have 300- and 450-µm diameter pinholes on tungsten slabs, in hexagonal arrays of 19 and 7 holes. Projection data are acquired in a photon-counting strategy, where CCD frames are stored at 50 frames per second, with a radius of rotation of 35 mm and magnification factor of one. The image reconstruction software tool is based on the maximum likelihood algorithm. Our aim was to evaluate the spatial resolution and sensitivity attainable with the seven-pinhole imaging device, together with the linearity for quantification on the tomographic images, and to test the instrument in obtaining tomographic images of different mouse organs. A spatial resolution better than 500 µm and a sensitivity of 21.6 counts·s-1·MBq-1 were reached, as well as a correlation coefficient between activity and intensity better than 0.99, when imaging 99mTc sources. Images of the thyroid, heart, lungs, and bones of mice were registered using 99mTc-labeled radiopharmaceuticals in times appropriate for routine preclinical experimentation of <1 h per projection data set. Detailed experimental protocols and images of the aforementioned organs are shown. We plan to extend the instrument's field of view to fix larger animals and to combine data from both detectors to reduce the acquisition time or applied activity.

Photon Upconverting Nanophosphors: Unique Reporters for Optical Biosensing

Upconversion photoluminescence is a unique property of mostly certain inorganic materials, which are capable of converting low-energy infrared radiation into a higher-energy emission at visible wavelengths. This anti-Stokes shift enables luminescence detection without autofluorescence, which makes the upconverting materials a highly suitable reporter technology for optical biosensing applications. Furthermore, they exhibit long luminescence lifetime with narrow bandwidths also at the optical window of biomaterials enabling luminescence measurements in challenging sample matrices, such as whole blood. The aim of this thesis was to study the unique properties and the applicability of nano-sized upconverting phosphors (UCNPs) as reporters in biosensing applications. To render the inorganic nanophosphors water-dispersible and biocompatible, they were subjected to a series of surface modifications starting with silica-encapsulation and ending with a bioconjugation step with an analyte-recognizing biomolecule. The paramagnetism of the lanthanide dopants in the nanophosphors was exploited to develop a highly selective separation method for the UCNP-bioconjugates based on the magnetic selectivity of the high gradient magnetic separation (HGMS) system. The applicability of the nano-sized UCNPs as reporters in challenging sample matrices was demonstrated in two homogeneous sensing applications based on upconversion resonance energy transfer (UC-RET). A chemosensor for intracellular pH was developed exploiting UC-RET between the UCNP and a fluorogenic pH-sensitive dye with strongly increasing fluorescence intensity in decreasing pH. The pH-independent emission of the UCNPs at 550 nm was used for referencing. The applicability of the pH-nanosensor for intracellular pH measurement was tested in HeLa cells, and the acidic pH of endosomes could be detected with a confocal fluorescence microscope. Furthermore, a competitive UC-RET-based assay for red blood cell folic acid was developed for the measurement of folate directly from a whole blood sample. The optically transparent window of biomaterials was used in both the excitation and the measurement of the UC-RET sensitized emission of a near-infrared acceptor dye to minimize sample absorption, and the anti-Stokes detection completely eliminated the Stokes-shifted autofluorescence. The upconversion photoluminescence efficiency is known to be dependent on crystallite size, because the increasing surface-to-volume ratio of nano-sized UCNPs renders them more susceptible to quenching effects of the environment than their bulk counterpart. Water is known to efficiently quench the luminescence of lanthanide dopants. In this thesis, the quenching mechanism of water was studied using luminescence decay measurements. Water was found to quench the luminescence of UCNPs by increasing the non-radiative relaxation of the excited state of Yb3+ sensitizer ion, which had a very strong quenching effect on upconversion luminescence intensity.

Confocal and two-photon microscopy : image enhancement /

Confocal and two-photon microcopy have become essential tools in biological research and today many investigations are not possible without their help. The valuable advantage that these two techniques offer is the ability of optical sectioning. Optical sectioning makes it possible to obtain 3D visuahzation of the structiu-es, and hence, valuable information of the structural relationships, the geometrical, and the morphological aspects of the specimen. The achievable lateral and axial resolutions by confocal and two-photon microscopy, similar to other optical imaging systems, are both defined by the diffraction theorem. Any aberration and imperfection present during the imaging results in broadening of the calculated theoretical resolution, blurring, geometrical distortions in the acquired images that interfere with the analysis of the structures, and lower the collected fluorescence from the specimen. The aberrations may have different causes and they can be classified by their sources such as specimen-induced aberrations, optics-induced aberrations, illumination aberrations, and misalignment aberrations. This thesis presents an investigation and study of image enhancement. The goal of this thesis was approached in two different directions. Initially, we investigated the sources of the imperfections. We propose methods to eliminate or minimize aberrations introduced during the image acquisition by optimizing the acquisition conditions. The impact on the resolution as a result of using a coverslip the thickness of which is mismatched with the one that the objective lens is designed for was shown and a novel technique was introduced in order to define the proper value on the correction collar of the lens. The amoimt of spherical aberration with regard to t he numerical aperture of the objective lens was investigated and it was shown that, based on the purpose of our imaging tasks, different numerical apertures must be used. The deformed beam cross section of the single-photon excitation source was corrected and the enhancement of the resolution and image quaUty was shown. Furthermore, the dependency of the scattered light on the excitation wavelength was shown empirically. In the second part, we continued the study of the image enhancement process by deconvolution techniques. Although deconvolution algorithms are used widely to improve the quality of the images, how well a deconvolution algorithm responds highly depends on the point spread function (PSF) of the imaging system applied to the algorithm and the level of its accuracy. We investigated approaches that can be done in order to obtain more precise PSF. Novel methods to improve the pattern of the PSF and reduce the noise are proposed. Furthermore, multiple soiu'ces to extract the PSFs of the imaging system are introduced and the empirical deconvolution results by using each of these PSFs are compared together. The results confirm that a greater improvement attained by applying the in situ PSF during the deconvolution process.

Arsenic speciation by ion-exchange chromatography with on- line determination by hydride generation: electronic modification of the D.C. plasma by photon counting

A method using L-cysteine for the determination of arsenous acid (As(III)), arsenic acid (As(V)), monomethylarsonic acid (MMAA), and dimethylarsinic acid (DMAA) by hydride generation was demonstrated. The instrument used was a d.c. plasma atomic emission spectrometer (OCP-AES). Complete recovery was reported for As(III), As(V), and DMAA while 86% recovery was reported for MMAA. Detection limits were determined, as arsenic for the species listed previously, to be 1.2, 0.8, 1.1, and 1.0 ngemL-l, respectively. Precision values, at 50 ngemL-1 arsenic concentration, were f.80/0, 2.50/0, 2.6% and 2.6% relative standard deviation, respectively. The L-cysteine reagent was compared directly with the conventional hydride generation technique which uses a potassium iodide-hydrochloric acid medium. Recoveries using L-cysteine when compared with the conventional method provided the following results: similar recoveries were obtained for As(III), slightly better recoveries were obtained for As(V) and MMAA, and significantly better recoveries for DMAA. In addition, tall and sharp peak shapes were observed for all four species when using L-cysteine. The arsenic speciation method involved separation by ion exchange .. high perfonnance liquid chromatography (HPLC) with on-line hydride generation using the L.. cysteine reagent and measurement byOCP-AES. Total analysis time per sample was 12 min while the time between the start of subsequent runs was approximately 20 min. A binary . gradient elution program, which incorporated the following two eluents: 0.01 and 0.5 mM tri.. sodium citrate both containing 5% methanol (v/v) and both at a pH of approximately 9, was used during the separation by HPLC. Recoveries of the four species which were measured as peak area, and were normalized against As(III), were 880/0, 290/0, and 40% for DMAA, MMAA and As(V), respectively. Resolution factors between adjacent analyte peaks of As(III) and DMAA was 1.1; DMAA and MMAA was 1.3; and MMAA and As(V) was 8.6. During the arsenic speciation study, signals from the d.c. plasma optical system were measured using a new photon-signal integrating device. The_new photon integrator developed and built in this laboratory was based on a previously published design which was further modified to reflect current available hardware. This photon integrator was interfaced to a personal computer through an AID convertor. The .photon integrator has adjustable threshold settings and an adjustable post-gain device.

Modélisation de l'irradiance solaire spectrale dans le proche et moyen ultraviolet

Nous présentons un modèle pour l’irradiance solaire spectrale entre 200 et 400 nm. Celui-ci est une extension d’un modèle d’irradiance solaire totale basé sur la simulation de la fragmentation et l’érosion des taches qui utilise, en entrée, les positions et aires des taches observées pour chaque pas de temps d’une journée. L’émergence des taches sur la face du Soleil opposée à la Terre est simulée par une injection stochastique. Le modèle simule ensuite leur désintégration, qui produit des taches plus petites et des facules. Par la suite, l’irradiance est calculée en sommant la contribution des taches, des facules et du Soleil inactif. Les paramètres libres du modèle sont ajustés en comparant les séquences temporelles produites avec les données provenant de divers satellites s’étalant sur trois cycles d’activité. Le modèle d’irradiance spectrale, quant à lui, a été obtenu en modifiant le calcul de la contribution des taches et des facules, ainsi que celle du Soleil inactif, afin de tenir compte de leur dépendance spectrale. Le flux de la photosphère inactive est interpolé sur un spectre synthétique non magnétisé, alors que le contraste des taches est obtenu en calculant le rapport du flux provenant d’un spectre synthétique représentatif des taches et de celui provenant du spectre représentatif du Soleil inactif. Le contraste des facules est quand à lui calculé avec une procédure simple d’inversion de corps noir. Cette dernière nécessite l’utilisation d’un profil de température des facules obtenu à l’aide de modèles d’atmosphère. Les données produites avec le modèle d’irradiance spectrale sont comparées aux observations de SOLSTICE sur UARS. L’accord étant peu satisfaisant, particulièrement concernant le niveau d’irradiance minimal ainsi que l’amplitude des variations, des corrections sont appliquées sur le flux du Soleil inactif, sur le profil de température des facules, ainsi qu’à la dépendance centre-bord du contraste des facules. Enfin, un profil de température des facules est reconstruit empiriquement en maximisant l’accord avec les observations grâce à un algorithme génétique. Il est utilisé afin de reconstruire les séquences temporelles d’irradiance jusqu’en 1874 à des longueurs d’ondes d’intérêt pour la chimie et la dynamique stratosphérique.

Study of NAD(P)H fluorescence in living cardiomyocytes by spectrally resolved time-correlated single photon counting

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

Hessian-based occlusion-aware radiance caching

Simuler efficacement l'éclairage global est l'un des problèmes ouverts les plus importants en infographie. Calculer avec précision les effets de l'éclairage indirect, causés par des rebonds secondaires de la lumière sur des surfaces d'une scène 3D, est généralement un processus coûteux et souvent résolu en utilisant des algorithmes tels que le path tracing ou photon mapping. Ces techniquesrésolvent numériquement l'équation du rendu en utilisant un lancer de rayons Monte Carlo. Ward et al. ont proposé une technique nommée irradiance caching afin d'accélérer les techniques précédentes lors du calcul de la composante indirecte de l'éclairage global sur les surfaces diffuses. Krivanek a étendu l'approche de Ward et Heckbert pour traiter le cas plus complexe des surfaces spéculaires, en introduisant une approche nommée radiance caching. Jarosz et al. et Schwarzhaupt et al. ont proposé un modèle utilisant le hessien et l'information de visibilité pour raffiner le positionnement des points de la cache dans la scène, raffiner de manière significative la qualité et la performance des approches précédentes. Dans ce mémoire, nous avons étendu les approches introduites dans les travaux précédents au problème du radiance caching pour améliorer le positionnement des éléments de la cache. Nous avons aussi découvert un problème important négligé dans les travaux précédents en raison du choix des scènes de test. Nous avons fait une étude préliminaire sur ce problème et nous avons trouvé deux solutions potentielles qui méritent une recherche plus approfondie.

Modélisation de l'irradiance solaire totale et spectrale et applications à la chimie stratosphérique terrestre

Cette thèse présente des reconstructions de l'irradiance totale et spectrale durant les 400 dernières années à l'aide des modèles pour l'irradiance totale et l'irradiance spectrale dans l'ultraviolet développés à l'Université de Montréal. Tous deux sont basés sur la simulation de l'émergence, de la fragmentation et de l'érosion des taches solaires, qui permet d'obtenir une distribution de l'aire des taches sombres et des facules brillantes en fonction du temps. Ces deux composantes sont principalement responsables de la variation de l'irradiance sur l'échelle de temps de la décennie, qui peut être calculée en sommant leur émissivité à celle de la photosphère inactive. La version améliorée du modèle d'irradiance solaire spectrale MOCASSIM inclut une extension de son domaine spectral entre 150 et 400 nm ainsi que de son domaine temporel, débutant originalement en 1874 et couvrant maintenant la période débutant en 1610 jusqu'au présent. Cela permet de reconstruire le spectre ultraviolet durant le minimum de Maunder et de le comparer à celui du minimum de 2009. Les conclusions tirées de cette étude spécifient que l'émissivité dans l'ultraviolet était plus élevée en 2009 que durant le minimum de Maunder, que le niveau de base de la photosphère non magnétisée contribuait pour environ les deux tiers de cette différence et que les structures magnétiques restantes étaient responsables pour le tiers restant. Le modèle d'irradiance totale a vu son domaine temporel étendu sur la même période et une composante représentant le réseau magnétique de façon réaliste y a été ajoutée. Il a été démontré que les observations des 30 dernières années ne sont bien reproduites qu'en incluant la composante du Soleil non magnétisé variable à long terme. Le processus d'optimisation des paramètres libres du modèle a été effectué en minimisant le carré de la somme de l'écart journalier entre les résultats des calculs et les données observées. Les trois composites disponibles, soit celui du PMOD (Physikalisch Meteorologisches Observatorium Davos), d'ACRIM (ACtive Radiometer Irradiance Monitor) et du IRMB (Institut Royal Météorologique de Belgique), ne sont pas en accord entre eux, en particulier au niveau des minima du cycle d'activité, et le modèle permet seulement de reproduire celui du PMOD avec exactitude lorsque la composante variable à long terme est proportionnelle au flux radio à 10.7 cm. Toutefois, en utilisant des polynômes de Lagrange pour représenter la variation du Soleil inactif, l'accord est amélioré pour les trois composites durant les minima, bien que les relations entre le niveau minimal de l'irradiance et la longueur du cycle précédent varient d'un cas à l'autre. Les résultats obtenus avec le modèle d'irradiance spectrale ont été utilisés dans une étude d'intercomparaison de la réponse de la photochimie stratosphérique à différentes représentations du spectre solaire. Les simulations en mode transitoire d'une durée de 10 jours ont été effectuées avec un spectre solaire constant correspondant soit à une période d'activité minimale ou à une période d'activité maximale. Ceci a permis d'évaluer la réponse de la concentration d'ozone à la variabilité solaire au cours d'un cycle et la différence entre deux minima. En plus de ceux de MOCASSIM, les spectres produits par deux modèles ont été utilisés (NRLSSI et MGNM) ainsi que les données de SIM et SOLSTICE/SORCE. La variabilité spectrale de chacun a été extraite et multipliée à un spectre de base représentant le minimum d'activité afin de simuler le spectre au maximum d'activité. Cela a été effectué dans le but d'isoler l'effet de la variabilité seule et d'exclure celui de la valeur absolue du spectre. La variabilité spectrale d'amplitude relativement élevée des observations de SORCE n'a pas provoqué l'inversion de la réponse de l'ozone à hautes altitudes obtenues par d'autres études, ce qui peut être expliqué par la nature même du modèle utilisé ainsi que par sa limite supérieure en altitude. Finalement, la réponse de l'ozone semble être à peu près proportionnelle à la variabilité de l'intégrale du flux pour lambda<241 nm. La comparaison des concentrations d'ozone obtenues avec les spectres originaux au minimum d'activité démontre que leur différence est du même ordre de grandeur que la variabilité entre le minimum et le maximum d'un cycle typique. Le problème du choix de la reconstruction de l'irradiance à utiliser pour les simulations climatiques dans le passé demeure non résolu.

Optical imaging and two-photon microscopy study of hemodynamic changes contralateral to ictal focus during epileptiform discharges

Il est relativement bien établi que les crises focales entraînent une augmentation régionale du flot sanguin dans le but de soutenir la demande énergétique en hémoglobine oxygénée des neurones épileptiques. Des changements hémodynamiques précoces ont également été rapportés dans la région homologue controlatérale, bien que ceci ait été moins bien caractérisé. Dans cette étude, notre objectif est de mieux caractériser, lors de crises focales, la nature des changements hémodynamiques précoces dans la région homologue controlatérale au foyer épileptique. L'imagerie optique intrinsèque (IOI) et la microscopie deux-photons sont utilisées pour étudier les changements hémodynamiques dans la région homologue controlatérale au site de crises focales induites par l’injection de 4-aminopyridine (4-AP) dans le cortex somatosensitif ipsilatéral de souris. Dans l'étude d'IOI, des changements de l’oxyhémoglobine (HbO), de la désoxyhémoglobine (HbR) et du débit sanguin cérébral ont été observées dans la région homologue controlatérale au site de crises focales lors de toutes les crises. Toutefois, ces changements étaient hétérogènes, sans patron cohérent et reproduisible. Nos expériences avec la microscopie deux-photons n’ont pas révélé de changements hémodynamiques significatifs dans la région homotopique controlatérale lors de trains de pointes épileptiques. Nos résultats doivent être interprétés avec prudence compte tenu de plusieurs limitations: d’une part absence de mesures électrophysiologiques dans la région d’intérêt controlatérale au foyer simultanément à l’imagerie deux-photons et à l'IOI; d’autre part, lors des expériences avec le deux-photons, incapacité à générer de longues décharges ictales mais plutôt des trains de pointes, couverture spatiale limitée de la région d’intérêt controlatérale, et faible puissance suite au décès prématuré de plusieurs souris pour diverses raisons techniques. Nous terminons en discutant de divers moyens pour améliorer les expériences futures.

Characteristics of two-photon absorption in methanol solutions of Rhodamine 6G using laser induced pulsed photoacoustics

Two-photon absorption in methanol solutions of Rhodamine 6G is investigated by photoacoustics using the second harmonic of a pulsed Nd:YAG laser. Competition between one-photon and two-photon processes is observed, depending critically on the sample concentration and input light flux.