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更快,更精細的分子指紋

發布:guangxuedaren    |    2020-02-06 16:17    閱讀:2131
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越來越強大、復雜的中紅外(MIR)光源的出現,如量子級聯激光器,激發了人們對“分子指紋”的興趣。“原則上,使用這種激光光譜學可以讓科學家探測生物樣品中的單個鍵振動,從而在復雜的生物系統中創建一個獨特的、類似指紋的整個分子組合特征。”但在這樣的測量中,來自分子標記的微弱信號可能會消失在用于激發分子的光的強度噪聲中。
       路德維希·馬克西米利安大學(LMU)和德國馬克斯·普朗克量子光學研究所(MPQ)的科學家們領導的一個研究小組已經提出了解決這一難題的潛在方案。該團隊的解決方案使用了數百萬個超短、寬帶脈沖來探測樣品,以及電光采樣來分離合成的分子信號,并將其從強度噪聲中分離出來。
       在基于人類血液樣本和其他生物材料的測試中,LMU-MPQ團隊稱在實驗中,系統可以探測復雜分子聚合物的濃度低至到幾百毫微克每毫升,濃度的動態范圍(從稀疏分子物種最豐富)超過105。這為用一種測量方法獲取一個給定臨床樣本的完整分子結構開辟了前景,這種方法的獲取時間大約為幾分鐘。
對癌癥早期的影響
       許多分子的化學鍵在中紅外(MIR)頻率區強烈地振動。分子指紋識別的工作原理是利用MIR光源激發這些分子,并利用重新發射的光譜從這些鍵振動中唯一地識別特定分子。
       在環境監測、工業和生物醫學的許多應用中,人們對利用分子指紋來提供判斷癌癥早期跡象特別感興趣。這是因為癌前或惡性細胞往往會大量產生特定的分子標記,這些標記可以作為體內腫瘤的最初跡象之一。
       問題是這些早期癌癥的標記分子的濃度極低。然而,來自中紅外光譜實驗的信號是樣品中所有分子的光譜響應的疊加——這項新研究的作者稱之為全球分子指紋(GMF)。
       原則上,通過增強激發激光的功率,可以探測到來自較稀疏分子標記的信號。但實際上,大多數光譜裝置捕捉和分析跨時間窗口集成的光場。在這種裝置中,通過樣品傳輸的激勵激光的噪聲與GMF同時撞擊探測器,淹沒了來自較少的分子標記的信號。
時間窗口檢測
      為了找到一種能夠在大范圍動態范圍內捕獲完整的分子聚合物的方法,由美國光學學會的Ferenc Krausz領導的LMU—MPQ的團隊,研究了一種完全不同的方法。他們沒有依賴于時間積分(即頻率分辨)信號,而是采用了一種時間門控方法,他們稱之為場分辨光譜學(FRS)。
      在這種方法中,首先使用一系列超短、少周期的寬帶脈沖來激發樣品。然后,通過光電采樣技術,在更短的時間間隔內探測樣品響應——分子鍵以不同頻率重新發射的GMF。以這種方式切割樣品響應,通過一系列的多重脈沖,將GMF的超短譜部分從長波長的背景噪聲中分離出來,使得即使是低濃度的GMF貢獻分子的信號也能通過。
勤勞的NIR光束
       該團隊的實驗裝置不是從和MIR光束開始,而是從近紅外(NIR)光束開始,一串每秒2800萬脈沖的Yb-YAG圓盤激光源,通過三個壓縮階段,最終達到16秒的超短脈沖持續時間。然后將近紅外脈沖序列集中在LiGaS2晶體上,其中非線性相互作用將部分入射近紅外輻射轉化為相位匹配的MIR脈沖序列。
       接下來,入射的近紅外(NIR)和產生的中紅外(MIR)脈沖序列在一個雙色鏡中分開,以遵循不同的路徑。MIR序列是通過一個含有含水生物樣品的液體小試管傳送的,它在超短激發脈沖之后,以GMF的形式刺激重新發射的鍵合振動。與此同時,NIR序列通過一個機械延遲階段,允許調整脈沖序列相對于MIR脈沖的時間延遲。
       在序列的末端,光束在非線性晶體中重新組合,較短波長的近紅外脈沖的時間延遲變化以采樣長波長的MIR信號的不同的超短部分。近紅外光束的一部分也用作本機振蕩,使得外差檢測信號作為節拍。從紅外背景噪聲中分離出的超短樣品,然后重新組合成完整的分子指紋,其中即使在相對低濃度的分子標記也可以被識別。
克服水吸收
       除了其他潛在的優點,研究人員指出,該系統的高靈敏度可以克服中紅外光譜的另一個長期存在的缺點:在液態水中強烈吸收紅外輻射。在過去,由于吸收限制了技術上使用的人工干樣品厚度需要小于10μm。
      而新的FRS系統似乎提供了一條繞過這些限制的途徑。在他們最初的概念驗證中,研究人員使用該系統來測試人類血清中的分子指紋和水溶液中的有機分子。他們發現,在不到一分鐘的數據采集時間內,他們就可以檢測到這些樣品中幾百毫微克每毫升的濃度變化。他們還用這個系統探測了一些光學不透明的物質,比如從一棵山羊柳樹(Salix caprea)上提取的完整的葉子標本,并且能夠提取細胞壁中碳水化合物的指紋,即使是這些高度衰減的標本。
   “這能夠精確測量體液的分子組成的差異,”該研究的作者之一Mihaela Zigman,附帶在一份新聞稿中說,“在生物學和醫學開辟了新的可能性,今后的早期癌癥檢測技術中有著廣泛的應用。”

圖:Ioachim Pupeza(左)和Marinus Huber(右)是一項新研究的聯合第一作者,該研究可以顯著改善中紅外激光探測生物樣本的使用。

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