生物系统的场分辨红外光谱分析

阿秒物理实验室的科学家们开发了一种独特的激光技术来分析生物样品的分子组成。它能够检测有机系统化学成分的最小变化。在生化水平上，可以将生物体视为许多分子种类的复杂集合。在它们的新陈代谢过程中，生物细胞合成化合物并以多种方式对其进行修饰。这些产品中的许多被释放到细胞间介质中并积聚在包括血液的体液中。生物医学研究的一个主要目标是了解这些极其复杂的分子混合物可以告诉我们有关生物体的状态。所有分化的细胞类型都有助于这种“汤”。但是癌前和恶性细胞会添加自己的特定分子标记物，这些标记物是体内肿瘤细胞存在的第一个迹象。然而，到目前为止，这些指示剂分子很少被鉴定出来，已知的那些以微小的量出现在生物样品中,这使得它们极难检测。研究人员认为，许多最有用的分子标记包括属于细胞中所有各种类型分子的化合物的组合-蛋白质、糖、脂肪及其各种衍生物。为了对其进行定义，研究人员需要一种分析方法，该分析方法应具有足够的通用性和灵敏度，以检测和测量其水平。

CC0公共领域

由Ferenc Krausz教授领导的跨学科团队现在已经建立了专门为此目的设计的基于激光的新系统。该小组由慕尼黑路德维希•马克西米利安斯大学（LMU）和马克斯•普朗克量子光学研究所（MPQ）联合运营的阿秒物理学实验室（LAP）组成，成员包括物理学家、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，从而揭示各种样品（包括生物学来源的样品）的分子组成。该技术提供了空前的灵敏度，可用于所有已知类型的生物分子。

新的激光光谱仪建立在LAP中最初用于产生超短激光脉冲的技术上，这些技术用于研究亚原子系统的超快动力学。该仪器由物理学家约阿希姆•普佩扎（Ioachim Pupeza）和他的同事制造，旨在发出非常强大的激光脉冲，该脉冲覆盖红外波长范围内的宽光谱范围。这些脉冲中的每个脉冲持续几飞秒。这些非常短暂的红外光闪烁会导致将原子连接在一起的键振动。其效果类似于敲击音叉的效果。脉冲通过后，振动分子以高特征波长或等效的振荡频率发射相干光。这项新技术可以捕获发射波长的完整集合。由于样品中每种不同的化合物都以特定的一组频率振动，因此它为发射贡献了自己定义明确的“子频谱”。没有分子物种可以有藏身之处。

该研究的第一作者，生物学家米哈埃拉•齐格曼（Mihaela Zigman）研究小组的成员马里努斯•胡贝尔（Marinus Huber）说：“使用这种激光，我们可以覆盖6至12微米宽范围的红外波长，这些波长可以激发分子的振动。”参与了LAP中进行的实验。她解释说：“与质谱法不同，这种方法可提供对生物样品中发现的所有类型分子的访问。”用于激发分子的每个超短激光脉冲仅由光场的几次振荡组成。此外，脉冲的光谱亮度（即其光子密度）高达传统同步加速器产生的光谱亮度的两倍，传统同步加速器迄今已用作分子光谱学可比方法的辐射源。另外，红外辐射在空间和时间上都是相干的。所有这些物理参数共同构成了新型激光系统的极高灵敏度，从而能够检测出浓度非常低的分子并产生高精度的分子指纹。此外，现在可以用红外灯照亮最大0.1毫米厚的活组织样品，并以无与伦比的灵敏度进行分析。在最初的实验中，LAP的团队将该技术应用于叶片和其他活细胞以及血液样本。齐格曼说：“这种准确测量体液分子组成变化的能力为生物学和医学开辟了新的可能性，并且在将来，该技术可以在疾病的早期检测中找到应用。”