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远红外光谱技术,红外光谱仪终于看到了光

远红外光谱技术,红外光谱仪终于看到了光作者提出了一些进一步推广该方法的想法,例如通过增加用于照射样品的激光的功率。希望这些措施将进一步缩小技术差距,目前该技术差距使该方法无法实现散装水中单分子敏感性的最终目标。其他挑战将是增加测量的光谱范围,以包括较短的波长,在该波长处发现蛋白质,脂质和核苷酸的突出信号和具有诊断意义的信号,并开发出一种有竞争力的价格适合于商业化的光谱仪。Pupeza及其同事以各种方式展示了他们的方法的高度敏感性。例如,与使用吸收光谱法相比,他们能够检测溶液中化合物的浓度低40倍,并能更好地区分两种相似的化合物。他们还获得了几乎阻挡所有入射光的生物样品的光谱(在一种情况下,至少为99.999%)。因此,在当前使用的方法只能看到黑暗的地方,新方法可以感知光线。这是一个令人印象深刻的成就,可以缓解传统红外光谱的两个主要问题:灵敏度和对水的强红外吸收。通过消除样品浓缩或干燥的需要,它将在许多情况下简化样品制备,Pup

分子中的原子在被红外光照射时会振荡。驱动这些振动的特定光频率被分子吸收,并取决于分子的化学结构和环境。因此,样品的红外吸收光谱可用作表征其化学成分的分子指纹。这使红外光谱学成为一种广泛的分析技术。但是,对于低浓度的分析物和水中的样品,红外光谱很难测量。Pupeza 等人在《自然》中写作。图1提出了有望减轻这些限制的红外光谱学概念。

红外线2被发现是威廉·赫歇尔(William Herschel)在对太阳进行天文观测时引起的问题的结果–它在他的眼睛中产生了令人困扰的热感,他想将其过滤掉。然而,今天,人们广泛认识到红外辐射用于多种分析目的的好处。其应用范围从在外层空间检测分子的3,4,其中包括对火星水5,破译蛋白的分子机制在活生物体6,7。在日常世界,它在食品分析中使用6,8和法医警方调查6,例如9。许多研究正在做,使红外光谱诊所,因为生物组织和体液中的分析可用于检测和诊断疾病的6,7,10。

对生物样品进行红外分析的主要障碍之一是水对红外辐射的强烈吸收,这个问题在大多数情况下限制了样品厚度小于10微米。该问题还使得难以向样品中添加试剂(例如酸或盐)的水溶液来操纵样品中分子的状态。例如,这种操作对于研究小分子与蛋白质的结合是合乎需要的,并且在使用紫外或可见光谱法时是标准操作。此外,由于红外辐射被水吸收,因此样品必须经常浓缩或干燥。

振动分子快照

Pupeza及其同事报告了此问题的解决方案。他们用超短脉冲(飞秒级; 1 fs为10 –15秒)的中红外光照射样品。特定频率的光被样品分子吸收,产生振动。这些振动在脉冲结束后继续,并持续到振动能量消散到环境中为止(这需要几皮秒; 1 ps是10 –12 s)。因为振动的原子带有部分电荷,所以它们的振荡会产生电磁辐射,类似于振荡电子在天线中产生电磁辐射的方式。所产生的辐射与分子振动具有相同的频率,因此携带有关所有样品分子的信息,因此作者称其为全局分子指纹。它是使用第二个超短光脉冲来测量的,这次是在近红外光谱范围内,通过一种称为电光采样的方法11。

作者的方法在概念上不同于常规吸收测量。在吸收光谱法中,仅从不与样品相互作用的光间接感应信号(图1a)。因此,很难检测到弱吸收,因为它只会稍微改变透射光的强度。从理论上讲,可以通过增加入射光的强度来改善对弱吸收体的检测,但是常用的红外检测器在较高的光强度下12变得不那么敏感,从而对可以使用的最大光强施加了实际限制。相比之下,Pupeza 等。直接检测感兴趣的信号-从振动分子发出的辐射-(图1b)。这类似于可见光谱范围内的吸光度和荧光测量之间的差异:荧光测量更为灵敏,因为它们可以直接从样品中检测信号,甚至可以从单个分子中检测到信号。

远红外光谱技术,红外光谱仪终于看到了光(1)

图1 一种获取红外光谱的新方法。 一个,在传统的红外光谱,分子照射红外光。它们吸收某些频率的光,从而引起振动。感兴趣的信号是透射光谱中的吸收“波谷”,但是当样品被高度稀释时,这些信号仅在很小的程度上改变透射光的整体强度,从而限制了该技术的灵敏度。b,Pupeza 等。1个用超短脉冲红外光照射分析样品,再次导致样品中的分子振动。这些振动在脉冲结束后继续,并产生红外辐射,在此显示为在脉冲之后拖尾的“尾巴”。分析该尾巴以确定分子的红外光谱。由于实验信号是发光的并且可以直接检测到,因此该方法比吸收红外光谱法更灵敏。

Pupeza及其同事以各种方式展示了他们的方法的高度敏感性。例如,与使用吸收光谱法相比,他们能够检测溶液中化合物的浓度低40倍,并能更好地区分两种相似的化合物。他们还获得了几乎阻挡所有入射光的生物样品的光谱(在一种情况下,至少为99.999%)。因此,在当前使用的方法只能看到黑暗的地方,新方法可以感知光线。这是一个令人印象深刻的成就,可以缓解传统红外光谱的两个主要问题:灵敏度和对水的强红外吸收。通过消除样品浓缩或干燥的需要,它将在许多情况下简化样品制备,

作者提出了一些进一步推广该方法的想法,例如通过增加用于照射样品的激光的功率。希望这些措施将进一步缩小技术差距,目前该技术差距使该方法无法实现散装水中单分子敏感性的最终目标。其他挑战将是增加测量的光谱范围,以包括较短的波长,在该波长处发现蛋白质,脂质和核苷酸的突出信号和具有诊断意义的信号,并开发出一种有竞争力的价格适合于商业化的光谱仪。

自然 577,34-35(2020)

doi:10.1038 / d41586-019-03866-w

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