U2B 光纜同步加速紅外光譜

摘要：紅外光譜能夠鑒定一些具有獨特紅外指紋譜的重要生物成分，例如脂類(lèi)、蛋白質(zhì)、核酸和糖類(lèi)化合物。然而，當嘗試采用傳統的紅外顯微鏡方法識別在生物組織中的此類(lèi)化合物時(shí)，由于配備的是熱紅外光源，其光強度低而且發(fā)射是全方向的，因而顯微鏡的空間分辨率受到了限制。同步加速光源的主要優(yōu)勢在于可從一很小的源點(diǎn)，在持續能量范圍內保持極強的亮度。本文描述了Brookhaven國家實(shí)驗室（厄普頓，紐約）同步加速光源的U2B光纜在紅外生物成像方面的應用。電力計 | 有紙記錄儀 | 水分測定儀 | 電力測量?jì)x | 溶氧計 | 溫濕度計 | 沼氣檢測儀 | 萬(wàn)用表 | 諧波分析儀 | 壓線(xiàn)鉗 | 氣體分析儀 | 多用表 | 電導度計

        紅外光譜通過(guò)振動(dòng)光譜來(lái)識別分子組成。生物樣品的主要成分包括脂類(lèi)、蛋白質(zhì)、核酸和糖類(lèi)化合物；每種成分都具有獨特的紅外指紋區，并在中紅外區（500-5000 cm^-1）吸收紅外輻射。紅外顯微鏡因可以在空間上分辨不同類(lèi)的樣品和/ 或者小粒子而在生物樣品分析中經(jīng)常被采用。當所考察的樣品區相對較大時(shí)（幾十微米），采用傳統的紅外顯微光譜儀可以得到高質(zhì)量的光譜數據。然而在空間分辨率接近衍射限，也就是入射波長(cháng)時(shí)，它的通量（光強）就受到了限制。這是因為傳統的紅外光譜儀配置的是熱光源，就像燈泡一樣，光線(xiàn)向所有方向（全方位）發(fā)射。從技術(shù)上難以將這種光源發(fā)射的所有的光集中于一個(gè)小點(diǎn)上。此外，熱光源（如碳硅棒光源）的光子通量不能充分滿(mǎn)足遠紅外光譜實(shí)驗。這是因為當波長(cháng)峰值從中紅外區改變到遠紅外區時(shí)，輸出量會(huì )下降４個(gè)數量級。

        同步加速光源可以克服在中紅外區和遠紅外區存在的困難。其主要優(yōu)點(diǎn)是它的光亮度（即在單位光源面積和立體角上發(fā)射的光子通量）高于碳硅棒光源的100~1000 倍^[1]。同步加速光源在光亮度方面的優(yōu)勢不是因為高通量，而是在于其固有的有效的小光源尺度和窄角度的光發(fā)射。高亮度適用于有限通量?jì)鹊娜魏螠y量（小面積，或窄光束，或者兩者均需要），因此同步加速光源紅外顯微光譜可以很好地滿(mǎn)足需要。此外，不像單波長(cháng)激光或窄范圍可調激光，同步加速光源產(chǎn)生的是白光，即整個(gè)能量光譜的光，從X - 射線(xiàn)到遠紅外，以至到微波區。采用這種具有獨特的強光亮和連續的頻率范圍的光，可以用少于碳硅棒熱光源的30 倍采集次數對更少量的或更稀的樣品進(jìn)行中紅外區的研究。在遠紅外區，同步加速光源的通量超過(guò)碳硅棒熱光源^[1]，從而使在這一頻率區（未研究過(guò)的）的研究成為可能。

        在過(guò)去10 年中，應用同步加速光源的紅外輻射的研究有所增加^[1,2]。今天，全世界40 個(gè)正在使用的同步加速器設備中，大約一半以上有至少一個(gè)紅外線(xiàn)光纜在使用或在建設^[3]。目前，設在Brookhaven 國家實(shí)驗室（厄普頓，紐約）的國立同步加速光源（NSLS）有6 個(gè)紅外光纜在運行中。而在與同步加速光源紅外光譜相關(guān)的研究中，盡管其最普通的應用是用于紅外顯微光譜，它在其它課題，如真空高壓表面科學(xué)、電化學(xué)、生物和環(huán)境科學(xué)中的應用也發(fā)展非常迅速。

1 實(shí)驗部分

        NSLS 的U2B 光纜是世界上僅有的主要用于生物醫學(xué)和生物學(xué)研究的紅外線(xiàn)光纜。有關(guān)它的描述及儀器的使用和性能已被報道^[4]。簡(jiǎn)單地說(shuō)，從紫外/ 紅外環(huán)中發(fā)出的同步加速光經(jīng)過(guò)低真空管進(jìn)入氮氣吹洗的Magna 860 光譜儀（Thermo Electron [Nicolet], Madison, WI）的外部輸入端。在通過(guò)干涉計階段之后，光束被輸送入NicPlan 顯微鏡（Thermo Electron [Nicolet]）或一個(gè)為低溫恒溫和/ 或遠紅外測量而特制的真空盒中。

        采用顯微鏡檢測樣品時(shí)，通常用顯微鏡專(zhuān)用的薄片切片機將冷凍的或注入石蠟的待測樣品切至5~15μm 的切片，再將其放在一反射載玻片上或紅外透明窗口上分別進(jìn)行反射或透射光譜的測定。遠紅外和/ 或低溫恒溫測量通常采用粉末樣品在透射模式下進(jìn)行。

2 結果與討論

        當前，在U2B 光纖方面的研究包括在微秒級水平上進(jìn)行時(shí)間分辨蛋白折疊研究；神經(jīng)元、骨以及其他生物組織的紅外成像；化學(xué)和環(huán)境科學(xué)的樣品成像。下面將對幾個(gè)選定的方面進(jìn)行概述。更詳細的應用介紹，讀者可以參閱文獻^[4]的綜述報道。

2.1 苯并三唑在向日葵內的生物轉化

        紅外顯微光譜已經(jīng)被廣泛應用到監測生長(cháng)發(fā)育的植物細胞壁分析中。盡管很多植物已被證明能對有機污染物進(jìn)行生物轉化^[5]，紅外光譜卻很少被用來(lái)研究那些因暴露于有機污染物中所致的植物結構的變化。當植物被用來(lái)清潔廢物時(shí)，弄清楚有機污染物的變化過(guò)程、轉化物的生物轉化率以及與母體化合物相關(guān)的毒性是至關(guān)重要的。

        由于其多價(jià)螯合作用位點(diǎn)可以被明確地定位，苯并三唑可以用來(lái)作為模型化合物。苯并三唑常被用作防凍劑、飛機防凍液、汽油、機油、滑潤劑和熱交換液的阻蝕劑。苯并三唑分子對水生有機體和細菌有毒性并可能致癌，但是它抗紫外線(xiàn)，并且易于與金屬復合。它能在地面和地表水里被檢測到，但細菌降解的途徑尚不知曉。

        本研究的目的是精確地確認苯并三唑在組織中富集的位點(diǎn)（可能是先位于液泡，然后在細胞壁），以分析因暴露在污染物中而導致的植物結構變化，并監測它轉化為其他分子的過(guò)程。這個(gè)系統也可以用作檢測其他有機物在別的植物中變化的一個(gè)模型。苯并三唑在進(jìn)入植物體時(shí)進(jìn)行生物轉化^[6]。作者認為與木質(zhì)化相關(guān)的過(guò)氧化反應系統最終與苯并三唑結合成聚合物材料而失去生物利用價(jià)值。向日葵被用作模型植物是因為它生長(cháng)快并容易在溶液中培養。

        向日葵類(lèi)植物在濃度低于1 mmol/L 的苯并三唑的水溶液中培養時(shí)，吸收和結合了低濃度苯并三唑的向日葵屬植物和未經(jīng)處理的向日葵的發(fā)育情況幾乎一樣。在高濃度溶液中培養后，根部的切片變得非常脆弱，并在顯微鏡下可以觀(guān)察到變化。由于苯并三唑的吸收、結合和/ 或生物轉化使根部發(fā)生變化的組成包括糖類(lèi)、纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)。這些變化可以用反射吸收顯微光譜來(lái)監測。經(jīng)處理過(guò)的根部剖面虛擬色彩強度圖以及在745cm^-1 的特征苯并三唑峰的存在顯示了根部組成的變化（圖1）。在745cm^-1 處出現的芳香環(huán)CH 峰以及在木質(zhì)素結構中的變化證明了苯并三唑中芳香環(huán)沒(méi)有被破壞而是與植物體結合。這個(gè)例子證明了在植物治理的研究中，紅外顯微光譜可以作為一種研究因在水或土壤中存在有機污染物而導致植物結構變化的工具。

2.2 飲食中富含鐵或鋅所致阿爾茲默氏疾病模型鼠體內蛋白質(zhì)結構的變化

        鐵是人體內一種必需元素，也是人腦中含量最豐富的金屬^[7]，但是它在氧化過(guò)程中所起的作用卻被認為是導致阿爾茲默氏疾�。ˋD）的一個(gè)危險因素。例如，鐵和淀粉蛋白結合時(shí)會(huì )產(chǎn)生過(guò)氧化氫^[8] 。此外，鐵與其前體蛋白（APP）mRNA 的結合會(huì )促進(jìn)該蛋白的生成^[9]。鋅同樣與阿爾茲默氏疾病的發(fā)病機理相關(guān)，因為鋅能引起β - 淀粉蛋白（Aβ）的聚集^[10,11]。正在進(jìn)行的這項研究的目的是確定在水中增加食用鐵（5ppm/0.05 mmol/L Fe NO₃]₂）或鋅(10 ppm/0.153 mmol/L ZnCO₃) 是如何改變患有AD 病的轉基因Tg APP2576 模型鼠的疾病進(jìn)程的。Tg APP2576 轉錄基因鼠含有兩點(diǎn)APP 突變（APP_SWE）。該突變能夠引起A β₄₀ 和A β₄₂ 增加、刺激神經(jīng)炎動(dòng)脈粥狀斑內小神經(jīng)膠質(zhì)細胞，并提高組織化學(xué)的氧化應答值指標^[12]。采用Morris 水迷宮進(jìn)行的初步行為測量結果顯示飲用富含鐵或鋅的水的Tg APP2576 鼠和只給普通飲用水的Tg APP2576 鼠相比存在顯著(zhù)的差別。作者的工作旨在鑒定可能與行為觀(guān)察相關(guān)的海馬區細胞域內的神經(jīng)元/ 蛋白質(zhì)的變化。

        圖2 a 表示了分別給普通飲用水的Tg 鼠和富含鐵的水的Tg 鼠在海馬區的可見(jiàn)圖像，藍色矩形劃出的是紅外切片圖。圖2 b 顯示了掃描區的虛擬色彩紅外圖像，色彩圖示代表的是β - 片層與α - 螺旋蛋白構型分別在1625 和1650 cm^-1 的峰高比。飲用富含鐵水的動(dòng)物表現出由α - 螺旋向β - 折疊構象的轉變，這種轉變可能是由于存在更多的鐵引發(fā)的�；�于Tg APP2576 鼠的海馬區Aβ蛋白的存在^[11]以及近期工作揭示的鐵可誘導Aβ構型轉化為難溶形式（β - 片層），作者認為這些可見(jiàn)的構型變化存在于A(yíng)β蛋白。進(jìn)一步的研究將在用富含鐵和鋅的水飼養的Tg 模型和正常動(dòng)物中進(jìn)行。如果像以前研究揭示的那樣，鋅對Aβ蛋白構象的影響和鐵不同^[10,13]。那么，比較用鐵和鋅處理的動(dòng)物將會(huì )是十分有趣的。

        總之，本文列舉的這些例子展示了同步加速紅外顯微光譜對生物學(xué)和生物化學(xué)的重要性。U2B 光纜已對外開(kāi)放使用。讀者可以申請使用，開(kāi)發(fā)它在本領(lǐng)域或其他領(lǐng)域研究中的潛力。如想尋求更多的信息和申請使用光纜的讀者可以登陸U2B 和NSLS 網(wǎng)站^[14]。