U2B 光纜同步加速紅外光譜

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、蛋白質(zhì)、核酸和糖類化合物。然而，當(dāng)嘗試采用傳統(tǒng)的紅外顯微鏡方法識別在生物組織中的此類化合物時，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，在持續(xù)能量范圍內(nèi)保持極強的亮度。本文描述了Brookhaven國家實驗室（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(yīng)用。電力計 | 有紙記錄儀 | 水分測定儀 | 電力測量儀 | 溶氧計 | 溫濕度計 | 沼氣檢測儀 | 萬用表 | 諧波分析儀 | 壓線鉗 | 氣體分析儀 | 多用表 | 電導(dǎo)度計

        紅外光譜通過振動光譜來識別分子組成。生物樣品的主要成分包括脂類、蛋白質(zhì)、核酸和糖類化合物；每種成分都具有獨特的紅外指紋區(qū)，并在中紅外區(qū)（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(dāng)所考察的樣品區(qū)相對較大時（幾十微米），采用傳統(tǒng)的紅外顯微光譜儀可以得到高質(zhì)量的光譜數(shù)據(jù)。然而在空間分辨率接近衍射限，也就是入射波長時，它的通量（光強）就受到了限制。這是因為傳統(tǒng)的紅外光譜儀配置的是熱光源，就像燈泡一樣，光線向所有方向（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小點上。此外，熱光源（如碳硅棒光源）的光子通量不能充分滿足遠(yuǎn)紅外光譜實驗。這是因為當(dāng)波長峰值從中紅外區(qū)改變到遠(yuǎn)紅外區(qū)時，輸出量會下降４個數(shù)量級。

        同步加速光源可以克服在中紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)存在的困難。其主要優(yōu)點是它的光亮度（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內(nèi)的任何測量（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足需要。此外，不像單波長激光或窄范圍可調(diào)激光，同步加速光源產(chǎn)生的是白光，即整個能量光譜的光，從X - 射線到遠(yuǎn)紅外，以至到微波區(qū)。采用這種具有獨特的強光亮和連續(xù)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(shù)對更少量的或更稀的樣品進行中紅外區(qū)的研究。在遠(yuǎn)紅外區(qū)，同步加速光源的通量超過碳硅棒熱光源^[1]，從而使在這一頻率區(qū)（未研究過的）的研究成為可能。

        在過去10 年中，應(yīng)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 個正在使用的同步加速器設(shè)備中，大約一半以上有至少一個紅外線光纜在使用或在建設(shè)^[3]。目前，設(shè)在Brookhaven 國家實驗室（厄普頓，紐約）的國立同步加速光源（NSLS）有6 個紅外光纜在運行中。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(yīng)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(yīng)用也發(fā)展非常迅速。

1 實驗部分

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

        采用顯微鏡檢測樣品時，通常用顯微鏡專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行反射或透射光譜的測定。遠(yuǎn)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行。

2 結(jié)果與討論

        當(dāng)前，在U2B 光纖方面的研究包括在微秒級水平上進行時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。下面將對幾個選定的方面進行概述。更詳細(xì)的應(yīng)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(nèi)的生物轉(zhuǎn)化

        紅外顯微光譜已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到監(jiān)測生長發(fā)育的植物細(xì)胞壁分析中。盡管很多植物已被證明能對有機污染物進行生物轉(zhuǎn)化^[5]，紅外光譜卻很少被用來研究那些因暴露于有機污染物中所致的植物結(jié)構(gòu)的變化。當(dāng)植物被用來清潔廢物時，弄清楚有機污染物的變化過程、轉(zhuǎn)化物的生物轉(zhuǎn)化率以及與母體化合物相關(guān)的毒性是至關(guān)重要的。

        由于其多價螯合作用位點可以被明確地定位，苯并三唑可以用來作為模型化合物。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(xì)菌有毒性并可能致癌，但是它抗紫外線，并且易于與金屬復(fù)合。它能在地面和地表水里被檢測到，但細(xì)菌降解的途徑尚不知曉。

        本研究的目的是精確地確認(rèn)苯并三唑在組織中富集的位點（可能是先位于液泡，然后在細(xì)胞壁），以分析因暴露在污染物中而導(dǎo)致的植物結(jié)構(gòu)變化，并監(jiān)測它轉(zhuǎn)化為其他分子的過程。這個系統(tǒng)也可以用作檢測其他有機物在別的植物中變化的一個模型。苯并三唑在進入植物體時進行生物轉(zhuǎn)化^[6]。作者認(rèn)為與木質(zhì)化相關(guān)的過氧化反應(yīng)系統(tǒng)最終與苯并三唑結(jié)合成聚合物材料而失去生物利用價值。向日葵被用作模型植物是因為它生長快并容易在溶液中培養(yǎng)。

        向日葵類植物在濃度低于1 mmol/L 的苯并三唑的水溶液中培養(yǎng)時，吸收和結(jié)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(yǎng)后，根部的切片變得非常脆弱，并在顯微鏡下可以觀察到變化。由于苯并三唑的吸收、結(jié)合和/ 或生物轉(zhuǎn)化使根部發(fā)生變化的組成包括糖類、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監(jiān)測。經(jīng)處理過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(xiàn)的芳香環(huán)CH 峰以及在木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的變化證明了苯并三唑中芳香環(huán)沒有被破壞而是與植物體結(jié)合。這個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(dǎo)致植物結(jié)構(gòu)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(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化

        鐵是人體內(nèi)一種必需元素，也是人腦中含量最豐富的金屬^[7]，但是它在氧化過程中所起的作用卻被認(rèn)為是導(dǎo)致阿爾茲默氏疾�。ˋD）的一個危險因素。例如，鐵和淀粉蛋白結(jié)合時會產(chǎn)生過氧化氫^[8] 。此外，鐵與其前體蛋白（APP）mRNA 的結(jié)合會促進該蛋白的生成^[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(zhuǎn)基因Tg APP2576 模型鼠的疾病進程的。Tg APP2576 轉(zhuǎn)錄基因鼠含有兩點APP 突變（APP_SWE）。該突變能夠引起A β₄₀ 和A β₄₂ 增加、刺激神經(jīng)炎動脈粥狀斑內(nèi)小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，并提高組織化學(xué)的氧化應(yīng)答值指標(biāo)^[12]。采用Morris 水迷宮進行的初步行為測量結(jié)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 鼠相比存在顯著的差別。作者的工作旨在鑒定可能與行為觀察相關(guān)的海馬區(qū)細(xì)胞域內(nèi)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(qū)的可見圖像，藍色矩形劃出的是紅外切片圖。圖2 b 顯示了掃描區(qū)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(gòu)型分別在1625 和1650 cm^-1 的峰高比。飲用富含鐵水的動物表現(xiàn)出由α - 螺旋向β - 折疊構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變可能是由于存在更多的鐵引發(fā)的�；�于Tg APP2576 鼠的海馬區(qū)Aβ蛋白的存在^[11]以及近期工作揭示的鐵可誘導(dǎo)Aβ構(gòu)型轉(zhuǎn)化為難溶形式（β - 片層），作者認(rèn)為這些可見的構(gòu)型變化存在于Aβ蛋白。進一步的研究將在用富含鐵和鋅的水飼養(yǎng)的Tg 模型和正常動物中進行。如果像以前研究揭示的那樣，鋅對Aβ蛋白構(gòu)象的影響和鐵不同^[10,13]。那么，比較用鐵和鋅處理的動物將會是十分有趣的。

        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 光纜已對外開放使用。讀者可以申請使用，開發(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]。