Nauwkeurige metingen van de lichtintensiteit leveren essentiële gegevens op voor wetenschappers en alledaagse toepassingen. Nauwkeurige waarden helpen bijvoorbeeld bij het optimaliseren van microscopiesignalen, het op gang brengen van fysiologische processen in de hersenen en het stimuleren van lichtabsorberende reacties, terwijl verschillende onderzoeksteams experimentele resultaten kunnen delen en reproduceren.

"Tegenwoordig houdt een grote gemeenschap van biologen, scheikundigen, ingenieurs en natuurkundigen zich bezig met het leveren van precieze aantallen fotonen", legt een onderzoeksteam uit wiens werk zojuist is gepubliceerd in Nature Methods . Op grotere schaal is precisie ook essentieel voor kritische taken zoals waterzuivering en fototherapeutica.

Bij de meeste benaderingen ontbreekt het echter aan veelzijdigheid en bruikbaarheid. De meeste methoden kunnen bijvoorbeeld de lichtintensiteit en ruimtelijke verdeling niet tegelijkertijd kwantificeren, of kunnen dit alleen doen over een beperkt bereik van lichtgolflengten en -intensiteiten.

Om een ​​veelzijdig alternatief te bieden voor de beperkingen van de huidige benaderingen, heeft het onderzoeksteam twee complementaire protocollen ontwikkeld met behulp van nieuwe actinometers:fysieke of chemische systemen die fotonen kunnen kwantificeren. Omdat het vloeibare oplossingen zijn, kunnen actinometers worden gebruikt in monsters van verschillende vormen en maten. Toch zijn de meeste niet erg nauwkeurig of compatibel met beeldvormingssystemen en zijn ze meestal beperkt tot specifieke golflengten en lichtintensiteiten.

Om deze beperkingen te overwinnen, gebruikte het team op fluorescentie gebaseerde actinometers, die sneller en gevoeliger bleken te zijn en gegevens konden leveren die beter toegankelijk zijn voor beeldvormingssystemen.

Het eerste protocol maakt gebruik van vijf moleculaire actinometers – die het hele spectrum van ultraviolet en zichtbaar licht bestrijken – die fluorescerende signalen uitzenden wanneer ze het excitatielicht absorberen dat de onderzoekers willen meten. Onder bepaalde omstandigheden kan dit protocol ook de ruimtelijke verdeling van de lichtintensiteit in kaart brengen. Het team testte verschillende soorten actinometers, van synthetische chemicaliën voor scheikundigen tot eiwitten en fotosynthetische organismen voor biologen.

"We wilden fluorescerende actinometers toegankelijk maken voor verschillende gemeenschappen van eindgebruikers", stellen de onderzoekers.

Het tweede protocol vormt een aanvulling op de fluorescerende actinometers van het eerste, omdat vanwege hun beperkte bereik van lichtabsorptie verschillende actinometers nodig zijn om het hele golflengtebereik te bestrijken. Dit protocol maakt gebruik van een stabiele fluorofoor (een chemische stof die licht opnieuw kan uitzenden bij lichtexcitatie) om de lichtintensiteit van de ene golflengte naar de andere terug te berekenen.

"Samen kunnen de twee nieuwe protocollen worden gebruikt in situaties met weinig licht, kortere perioden en een breder bereik aan golflengten dan conventionele methoden", bevestigt de groep.

Het onderzoeksteam heeft de protocollen met succes toegepast om de ruimtelijke verdeling van licht in verschillende fluorescentiebeeldvormingssystemen te karakteriseren, wat hun veelzijdigheid en nauwkeurigheid aantoont. De protocollen zijn ook gebruikt om de verlichting in in de handel verkrijgbare instrumenten en lichtbronnen te kalibreren.

Deze protocollen zouden kunnen worden toegepast in breedveld- en confocale microscopie, waardoor nauwkeurige meting van de lichtintensiteit in biologische monsters mogelijk wordt. Het team zegt:"We voorzien dat [onze protocollen] ons begrip zullen verbeteren van hoe licht de gezondheid en levensvatbaarheid van biologische exemplaren beïnvloedt." Zelfs complexe omgevingen kunnen worden bestudeerd, zoals in gels of diep in weefsels, een essentieel kenmerk voor DREAM in zijn missie om de dynamiek van de fotosyntheseregulatie in microalgen of planten vast te leggen.

De introductie van deze op fluorescentie gebaseerde actinometriemethoden betekent een aanzienlijke sprong voorwaarts in het nauwkeurig meten van de lichtintensiteit. Met online toegang tot actinometer-eigenschappen en gebruiksvriendelijke dataverwerkingsapplicaties moeten onderzoekers en ingenieurs nu uitgerust zijn om de lichtintensiteit nauwkeurig te meten en betrouwbare en reproduceerbare gegevens tussen disciplines te delen.

Meer informatie: Aliénor Lahlou et al, Fluorescentie om de lichtintensiteit te meten, Natuurmethoden (2023). DOI:10.1038/s41592-023-02063-y

Journaalinformatie: Natuurmethoden

Aangeboden door INsociety