利用新型激光技术实现生物标记物的高分辨率检测

阿托秒物理实验室的科学家开发了一种独特的激光技术，可用于分析生物样品的分子组成，它能够检测到有机系统化学组成中的微小变化。 

在生化水平上，生物体可以被认为是许多种类分子的复杂集合。生物细胞在其代谢过程中，通过多种途径合成和修饰化合物。其中许多中间产物被释放到细胞间介质中，并在体液（包括血液）中积聚。生物医学研究的一个主要目的是了解这些极其复杂的分子混合物，并且分辨出有关生物体的状态。所有分化的细胞类型都有助于这种“组合”。但是癌前细胞和恶性细胞会添加自己的特定分子标记，这些标记提供了体内肿瘤细胞存在的第一个迹象。 

然而，到目前为止，这些指示分子很少被鉴定出来，而那些已知的分子在生物样品中出现的数量微乎其微。这使得它们极难被发现。研究人员认为，许多信息量最大的分子特征包含了各种化合物的组合，这些化合物属于在细胞蛋白质、糖、脂肪及其各种衍生物中发现的各种分子。为了给它们下定义，研究人员需要一种单一的分析方法，这种方法具有多功能性和敏感性，足以检测和测量它们的水平。 

由费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）教授领导的一个跨学科团队现在已经建立了一个新的基于激光的系统，专门为此而设计。该小组是在阿托秒物理实验室（LAP）的基础上，慕尼黑大学和马克斯-普朗克量子光学研究所联合运行，它包括物理学家、生物学家和数据科学家。该系统使研究人员能够获得红外光谱形式的化学指纹，揭示各种样品的分子组成，包括生物来源的样品。这项技术提供了前所未有的灵敏度，可用于所有已知种类的生物分子。 

新的激光光谱仪建立在阿托秒物理实验室最初开发的用于产生超短激光脉冲的技术之上，用于研究亚原子系统的超快动力学。这台仪器由物理学家Ioachim Pupeza和他的同事制造，设计用来发射非常强大的激光脉冲，覆盖红外波段的一段很宽的光谱。这些脉冲中的每一个都会持续几个飞秒（在科学记数法中，1fs=10-15s）。这些极其短暂的红外光会引起连接原子的键振动。其效果类似于敲击音叉。脉冲通过后，振动分子以高特征波长或相当于振荡频率发射相干光。这项新技术使得捕获发射的全部波长成为可能。由于样品中每一种不同的化合物都以特定的频率振动，因此它对发射贡献了自己定义良好的“子谱”。没有分子物种可以藏身。 

“通过这种激光，我们可以覆盖从6到12微米的红外波长范围，刺激分子的振动，”这项研究的联合第一作者、生物学家米哈埃拉·齐格曼（Mihaela Zigman）小组的成员马林努斯·休伯（Marinus Huber）说，他也参与了在实验室中试验测试，她说：“与质谱法不同的是，这种方法提供了获取生物样品中所有类型分子的途径。”。 

每一个用来激发分子的超短激光脉冲只包含少量的光场振荡。此外，脉冲的光谱亮度（即其光子密度）比传统同步加速器产生的光谱亮度高出一倍，而传统同步加速器迄今为止一直用作类似分子光谱方法的辐射源。此外，红外辐射在空间和时间上都是相干的。所有这些物理参数加在一起说明了新激光系统的极高灵敏度，能够检测出浓度极低的分子，并产生高精度的分子指纹。 

此外，厚达0.1毫米的活体组织样本现在可以用红外线照射，并以无与伦比的灵敏度进行分析。在最初的实验中，研究小组将这项技术应用于树叶和其他活细胞以及血液样本。”这种精确测量体液分子组成变化的能力在生物学和医学上开辟了新的可能性，在未来这项技术可以在疾病的早期检测中找到相应应用，”齐格曼说。

原文来源：https://phys.org/news/2020-01-field-resolved-infrared-spectroscopy-biological.html