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更快,更精细的分子指纹

发布:guangxuedaren    |    2020-02-06 16:17    阅读:2491
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越来越强大、复杂的中红外(MIR)光源的出现,如量子级联激光器,激发了人们对“分子指纹”的兴趣。“原则上,使用这种激光光谱学可以让科学家探测生物样品中的单个键振动,从而在复杂的生物系统中创建一个独特的、类似指纹的整个分子组合特征。”但在这样的测量中,来自分子标记的微弱信号可能会消失在用于激发分子的光的强度噪声中。
       路德维希·马克西米利安大学(LMU)和德国马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)的科学家们领导的一个研究小组已经提出了解决这一难题的潜在方案。该团队的解决方案使用了数百万个超短、宽带脉冲来探测样品,以及电光采样来分离合成的分子信号,并将其从强度噪声中分离出来。
       在基于人类血液样本和其他生物材料的测试中,LMU-MPQ团队称在实验中,系统可以探测复杂分子聚合物的浓度低至到几百毫微克每毫升,浓度的动态范围(从稀疏分子物种最丰富)超过105。这为用一种测量方法获取一个给定临床样本的完整分子结构开辟了前景,这种方法的获取时间大约为几分钟。
对癌症早期的影响
       许多分子的化学键在中红外(MIR)频率区强烈地振动。分子指纹识别的工作原理是利用MIR光源激发这些分子,并利用重新发射的光谱从这些键振动中唯一地识别特定分子。
       在环境监测、工业和生物医学的许多应用中,人们对利用分子指纹来提供判断癌症早期迹象特别感兴趣。这是因为癌前或恶性细胞往往会大量产生特定的分子标记,这些标记可以作为体内肿瘤的最初迹象之一。
       问题是这些早期癌症的标记分子的浓度极低。然而,来自中红外光谱实验的信号是样品中所有分子的光谱响应的叠加——这项新研究的作者称之为全球分子指纹(GMF)。
       原则上,通过增强激发激光的功率,可以探测到来自较稀疏分子标记的信号。但实际上,大多数光谱装置捕捉和分析跨时间窗口集成的光场。在这种装置中,通过样品传输的激励激光的噪声与GMF同时撞击探测器,淹没了来自较少的分子标记的信号。
时间窗口检测
      为了找到一种能够在大范围动态范围内捕获完整的分子聚合物的方法,由美国光学学会的Ferenc Krausz领导的LMU—MPQ的团队,研究了一种完全不同的方法。他们没有依赖于时间积分(即频率分辨)信号,而是采用了一种时间门控方法,他们称之为场分辨光谱学(FRS)。
      在这种方法中,首先使用一系列超短、少周期的宽带脉冲来激发样品。然后,通过光电采样技术,在更短的时间间隔内探测样品响应——分子键以不同频率重新发射的GMF。以这种方式切割样品响应,通过一系列的多重脉冲,将GMF的超短谱部分从长波长的背景噪声中分离出来,使得即使是低浓度的GMF贡献分子的信号也能通过。
勤劳的NIR光束
       该团队的实验装置不是从和MIR光束开始,而是从近红外(NIR)光束开始,一串每秒2800万脉冲的Yb-YAG圆盘激光源,通过三个压缩阶段,最终达到16秒的超短脉冲持续时间。然后将近红外脉冲序列集中在LiGaS2晶体上,其中非线性相互作用将部分入射近红外辐射转化为相位匹配的MIR脉冲序列。
       接下来,入射的近红外(NIR)和产生的中红外(MIR)脉冲序列在一个双色镜中分开,以遵循不同的路径。MIR序列是通过一个含有含水生物样品的液体小试管传送的,它在超短激发脉冲之后,以GMF的形式刺激重新发射的键合振动。与此同时,NIR序列通过一个机械延迟阶段,允许调整脉冲序列相对于MIR脉冲的时间延迟。
       在序列的末端,光束在非线性晶体中重新组合,较短波长的近红外脉冲的时间延迟变化以采样长波长的MIR信号的不同的超短部分。近红外光束的一部分也用作本机振荡,使得外差检测信号作为节拍。从红外背景噪声中分离出的超短样品,然后重新组合成完整的分子指纹,其中即使在相对低浓度的分子标记也可以被识别。
克服水吸收
       除了其他潜在的优点,研究人员指出,该系统的高灵敏度可以克服中红外光谱的另一个长期存在的缺点:在液态水中强烈吸收红外辐射。在过去,由于吸收限制了技术上使用的人工干样品厚度需要小于10μm。
      而新的FRS系统似乎提供了一条绕过这些限制的途径。在他们最初的概念验证中,研究人员使用该系统来测试人类血清中的分子指纹和水溶液中的有机分子。他们发现,在不到一分钟的数据采集时间内,他们就可以检测到这些样品中几百毫微克每毫升的浓度变化。他们还用这个系统探测了一些光学不透明的物质,比如从一棵山羊柳树(Salix caprea)上提取的完整的叶子标本,并且能够提取细胞壁中碳水化合物的指纹,即使是这些高度衰减的标本。
   “这能够精确测量体液的分子组成的差异,”该研究的作者之一Mihaela Zigman,附带在一份新闻稿中说,“在生物学和医学开辟了新的可能性,今后的早期癌症检测技术中有着广泛的应用。”

图:Ioachim Pupeza(左)和Marinus Huber(右)是一项新研究的联合第一作者,该研究可以显著改善中红外激光探测生物样本的使用。

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