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10nm近場(chǎng)紅外技術(shù)攻克單一蛋白觀測(cè)難題，開辟單分子紅外光譜新道路
近日，日本分子科學(xué)研究所的西田純助教、熊谷崇副教授的研究團(tuán)隊(duì)利用Neaspec公司研發(fā)的納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR在單蛋白領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)單個(gè)蛋白質(zhì)的紅外振動(dòng)光譜的檢測(cè)。相關(guān)研究成果以Sub-Tip-Radius Near-Field Interactions in Nano-FTIR Vibrational Spectroscopy on Single Proteins為題，發(fā)表于Nano Letters上[1]。
紅外光譜是研究分子結(jié)構(gòu)和功能的重要工具之一。傳統(tǒng)紅外光譜測(cè)量通常需要使用大量的樣品并且空間分辨率較低，難以應(yīng)用于單個(gè)蛋白分子的研究。本文中使用的納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR采用全新的散射式核心技術(shù)，有效突破了光學(xué)分辨率的極限，空間分辨率優(yōu)于10 nm，突破性的實(shí)現(xiàn)了單個(gè)蛋白的紅外光譜成像。
納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR
在本研究中，作者將納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR中紅外波段的光源發(fā)出的光，利用邁克爾遜干涉裝置分成兩束，一束經(jīng)透射到達(dá)動(dòng)鏡，另一束經(jīng)反射到達(dá)定鏡。兩束光分別經(jīng)定鏡和動(dòng)鏡反射再回到分束器，動(dòng)鏡以恒定速度作直線運(yùn)動(dòng)，因而經(jīng)分束器分束后的兩束光形成光程差，產(chǎn)生干涉。干涉光在分束器會(huì)合后通過針尖，在針尖頂點(diǎn)形成一個(gè)比激發(fā)波長(zhǎng)小幾千倍，尺寸只由針尖曲率半徑?jīng)Q定的納米焦點(diǎn)。針尖的天線效應(yīng)將含有樣品近場(chǎng)信息的干涉光反饋給HgCdTe檢測(cè)器，然后通過設(shè)備控制器的信號(hào)處理模塊，利用傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到透過率或吸光度隨波數(shù)或波長(zhǎng)的納米級(jí)局部紅外吸收光譜圖。
納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR測(cè)量單一蛋白質(zhì)的紅外近場(chǎng)顯微光譜示意圖
隨后，研究團(tuán)隊(duì)利用納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR對(duì)由～500個(gè)氨基酸殘基組成的單個(gè)蛋白質(zhì)的酰胺I振動(dòng)進(jìn)行了表征。該單蛋白在空氣氣氛中制備于尺寸僅為4×4×8 nm的原子級(jí)平滑的金基底上。該金屬性基底與設(shè)備針尖共同作用，為實(shí)驗(yàn)者提供了純凈的高階信號(hào)，并通過針尖曲率半徑所提供的幾何特性，為表征提供了納米級(jí)的空間分辨率。
單個(gè)蛋白的納米傅里葉紅外吸收成像及光譜圖
該研究對(duì)于理解蛋白質(zhì)功能和相互作用具有重要意義，并且為納米級(jí)紅外光譜在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的可能性。該研究的成功代表我們向使用中紅外光進(jìn)行超靈敏和高分辨率的成像邁出了重要的一步。研究者所使用的納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR在分子生物學(xué)（用于精確蛋白質(zhì)分析）、材料科學(xué)（用于納米材料表征）以及醫(yī)學(xué)診斷（用于識(shí)別疾病分子標(biāo)記）等領(lǐng)域都開辟了多種應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1]. Nishida et al., Sub-Tip-Radius Near-Field Interactions in Nano-FTIR Vibrational Spectroscopy on Single Proteins, Nano Lett. 2024, 24, 3, 836–843
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