Nye modeller for spredning og absorpsjon av lys i celler kan gi bedre grunnlag for forskning

Hvordan kan vi vite hva mikroorganismer som celler og vev, eller bittesmå partikler som mikroplast, består av? Når forskere skal finne kjemisk informasjon om en prøve, for eksempel for å bestemme om en vevsprøve inneholder kreftceller eller ikke, kan de bruke hyperspektrale bilder. Et hyperspektralt bilde inneholder et spekter i hver piksel, og viser ofte en del av spekteret som ligger utenfor det synlige området. Et infrarødt mikroskop bruker infrarød stråling for å få informasjon om hvilke molekyler en prøve består av.  

– Når vi bruker spektroskopi, ser vi på hvordan molekylene i et materiale reagerer på lys. Vi kan undersøke ulike prøver, for eksempel en vevsprøve fra kroppen, og sende lys med forskjellig bølgelengde gjennom prøven. Så måler vi hvor mye av lyset som slipper gjennom prøven og hvor mye som absorberes i prøven og blir borte. Ulike materialer absorberer helt spesifikke bølgelengder, som resulterer i et unikt absorpsjonsspekter. Absorpsjonsspektra fungerer derfor som kjemiske fingeravtrykk, som kan avsløre hva et materiale er bygget opp av, sier Johanne H. Solheim.

Når man bruker infrarød stråling for å karakterisere ulike materialer, kalles det infrarød spektroskopi. Infrarød spektroskopi brukes til å analysere mange ulike prøver, som man henter inn store datasett fra. Det kan for eksempel brukes til å diagnostisere kreft og krefttyper i vevsprøver og til å identifisere mikroorganismer eller ulike typer mikroplast.

– Nye studier har funnet mikroplast i lungene til mennesker, men de eksisterende teknikkene for å finne mikroplast i menneskekroppen, er ikke gode nok til å finne de minste partiklene. Med infrarød spektroskopi kan vi si mer om mengden mikroplast, størrelsen på partiklene og hva slags type plast vi har med å gjøre, sier Johanne H. Solheim.

Men det er noen utfordringer med denne metoden. Når strålingen treffer prøven, blir ikke alle bølgelengdene absorbert. Noen bølgelengder spres i stedet. Denne lysspredningen forstyrrer absorbansspekteret, og det kjemiske fingeravtrykket blir visket ut. Da blir det vanskelig å undersøke prøven.

I sitt doktorgradsarbeid har Johanne H. Solheim undersøkt hvordan elektromagnetisk stråling blir absorbert og spredt i infrarød spektroskopi av objekter som har samme størrelse som strålingens bølgelengde, hvor lysspredningen er spesielt stor. Hun har gått i dybden på spredningsfenomener, og spesielt Mie-spredning og tynnfilminterferens. Arbeidet hennes har ført til en dypere forståelse for hvordan lysspredning henger sammen med prøvens form og kjemiske innhold.

For Johanne H. Solheim var det viktig at andre forskere skal kunne bruke arbeidet hennes. Hun har laget modeller for å hente ut kjemisk informasjon fra spektra der det kjemiske fingeravtrykket er visket ut av spredning. Nå trenger man ikke lengre å forkaste spektra med store spredningsavtrykk, og slik kan en større del av datasettet analyseres.

– Jeg har lagt vekt på at modellene mine skal egne seg for store spektroskopiske datasett, som hyperspektrale infrarøde bilder. I tillegg var det viktig for meg at algoritmene er tilgjengelige for forskningsmiljøet i brukervennlige plattformer med åpen tilgjengelig kildekode, sier Johanne H. Solheim.

Modellene hennes vil bidra til at forskere kan analysere større mengder data og undersøke flere typer prøver. Det betyr at flere i forskningsmiljøet lettere kan forstå og analysere sine data, og dermed sikre mer presis karakterisering av biologiske prøver.

Johanne H. Solheim forsvarer sitt doktorgradsarbeid "Modellering av spredning og absorpsjon i vibrasjonsspektroskopi av celler og vev" torsdag 8. september 2022

Published 6. september 2022 - 8:54 - Updated 6. september 2022 - 8:55