U2B 光缆同步加速红外光谱

U2B 光缆同步加速红外光谱

摘要：红外光谱能够鉴定一些具有独特红外指纹谱的重要生物成分，例如脂类、蛋白质、核酸和糖类化合物。然而，当尝试采用传统的红外显微镜方法识别在生物组织中的此类化合物时，由于配备的是热红外光源，其光强度低而且发射是全方向的，因而显微镜的空间分辨率受到了限制。同步加速光源的主要优势在于可从一很小的源点，在持续能量范围内保持极强的亮度。本文描述了Brookhaven国家实验室（厄普顿，纽约）同步加速光源的U2B光缆在红外生物成像方面的应用。电力计 | 有纸记录仪 | 水分测定仪 | 电力测量仪 | 溶氧计 | 温湿度计 | 沼气检测仪 | 万用表 | 谐波分析仪 | 压线钳 | 气体分析仪 | 多用表 | 电导度计

        红外光谱通过振动光谱来识别分子组成。生物样品的主要成分包括脂类、蛋白质、核酸和糖类化合物；每种成分都具有独特的红外指纹区，并在中红外区（500-5000 cm^-1）吸收红外辐射。红外显微镜因可以在空间上分辨不同类的样品和/ 或者小粒子而在生物样品分析中经常被采用。当所考察的样品区相对较大时（几十微米），采用传统的红外显微光谱仪可以得到高质量的光谱数据。然而在空间分辨率接近衍射限，也就是入射波长时，它的通量（光强）就受到了限制。这是因为传统的红外光谱仪配置的是热光源，就像灯泡一样，光线向所有方向（全方位）发射。从技术上难以将这种光源发射的所有的光集中于一个小点上。此外，热光源（如碳硅棒光源）的光子通量不能充分满足远红外光谱实验。这是因为当波长峰值从中红外区改变到远红外区时，输出量会下降４个数量级。

        同步加速光源可以克服在中红外区和远红外区存在的困难。其主要优点是它的光亮度（即在单位光源面积和立体角上发射的光子通量）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优势不是因为高通量，而是在于其固有的有效的小光源尺度和窄角度的光发射。高亮度适用于有限通量内的任何测量（小面积，或窄光束，或者两者均需要），因此同步加速光源红外显微光谱可以很好地满足需要。此外，不像单波长激光或窄范围可调激光，同步加速光源产生的是白光，即整个能量光谱的光，从X - 射线到远红外，以至到微波区。采用这种具有独特的强光亮和连续的频率范围的光，可以用少于碳硅棒热光源的30 倍采集次数对更少量的或更稀的样品进行中红外区的研究。在远红外区，同步加速光源的通量超过碳硅棒热光源^[1]，从而使在这一频率区（未研究过的）的研究成为可能。

        在过去10 年中，应用同步加速光源的红外辐射的研究有所增加^[1,2]。今天，全世界40 个正在使用的同步加速器设备中，大约一半以上有至少一个红外线光缆在使用或在建设^[3]。目前，设在Brookhaven 国家实验室（厄普顿，纽约）的国立同步加速光源（NSLS）有6 个红外光缆在运行中。而在与同步加速光源红外光谱相关的研究中，尽管其最普通的应用是用于红外显微光谱，它在其它课题，如真空高压表面科学、电化学、生物和环境科学中的应用也发展非常迅速。

1 实验部分

        NSLS 的U2B 光缆是世界上仅有的主要用于生物医学和生物学研究的红外线光缆。有关它的描述及仪器的使用和性能已被报道^[4]。简单地说，从紫外/ 红外环中发出的同步加速光经过低真空管进入氮气吹洗的Magna 860 光谱仪（Thermo Electron [Nicolet], Madison, WI）的外部输入端。在通过干涉计阶段之后，光束被输送入NicPlan 显微镜（Thermo Electron [Nicolet]）或一个为低温恒温和/ 或远红外测量而特制的真空盒中。

        采用显微镜检测样品时，通常用显微镜专用的薄片切片机将冷冻的或注入石蜡的待测样品切至5~15μm 的切片，再将其放在一反射载玻片上或红外透明窗口上分别进行反射或透射光谱的测定。远红外和/ 或低温恒温测量通常采用粉末样品在透射模式下进行。

2 结果与讨论

        当前，在U2B 光纤方面的研究包括在微秒级水平上进行时间分辨蛋白折叠研究；神经元、骨以及其他生物组织的红外成像；化学和环境科学的样品成像。下面将对几个选定的方面进行概述。更详细的应用介绍，读者可以参阅文献^[4]的综述报道。

2.1 苯并三唑在向日葵内的生物转化

        红外显微光谱已经被广泛应用到监测生长发育的植物细胞壁分析中。尽管很多植物已被证明能对有机污染物进行生物转化^[5]，红外光谱却很少被用来研究那些因暴露于有机污染物中所致的植物结构的变化。当植物被用来清洁废物时，弄清楚有机污染物的变化过程、转化物的生物转化率以及与母体化合物相关的毒性是至关重要的。

        由于其多价螯合作用位点可以被明确地定位，苯并三唑可以用来作为模型化合物。苯并三唑常被用作防冻剂、飞机防冻液、汽油、机油、滑润剂和热交换液的阻蚀剂。苯并三唑分子对水生有机体和细菌有毒性并可能致癌，但是它抗紫外线，并且易于与金属复合。它能在地面和地表水里被检测到，但细菌降解的途径尚不知晓。

        本研究的目的是精确地确认苯并三唑在组织中富集的位点（可能是先位于液泡，然后在细胞壁），以分析因暴露在污染物中而导致的植物结构变化，并监测它转化为其他分子的过程。这个系统也可以用作检测其他有机物在别的植物中变化的一个模型。苯并三唑在进入植物体时进行生物转化^[6]。作者认为与木质化相关的过氧化反应系统最终与苯并三唑结合成聚合物材料而失去生物利用价值。向日葵被用作模型植物是因为它生长快并容易在溶液中培养。

        向日葵类植物在浓度低于1 mmol/L 的苯并三唑的水溶液中培养时，吸收和结合了低浓度苯并三唑的向日葵属植物和未经处理的向日葵的发育情况几乎一样。在高浓度溶液中培养后，根部的切片变得非常脆弱，并在显微镜下可以观察到变化。由于苯并三唑的吸收、结合和/ 或生物转化使根部发生变化的组成包括糖类、纤维素、木质素和蛋白质。这些变化可以用反射吸收显微光谱来监测。经处理过的根部剖面虚拟色彩强度图以及在745cm^-1 的特征苯并三唑峰的存在显示了根部组成的变化（图1）。在745cm^-1 处出现的芳香环CH 峰以及在木质素结构中的变化证明了苯并三唑中芳香环没有被破坏而是与植物体结合。这个例子证明了在植物治理的研究中，红外显微光谱可以作为一种研究因在水或土壤中存在有机污染物而导致植物结构变化的工具。

2.2 饮食中富含铁或锌所致阿尔兹默氏疾病模型鼠体内蛋白质结构的变化

        铁是人体内一种必需元素，也是人脑中含量最丰富的金属^[7]，但是它在氧化过程中所起的作用却被认为是导致阿尔兹默氏疾病（AD）的一个危险因素。例如，铁和淀粉蛋白结合时会产生过氧化氢^[8] 。此外，铁与其前体蛋白（APP）mRNA 的结合会促进该蛋白的生成^[9]。锌同样与阿尔兹默氏疾病的发病机理相关，因为锌能引起β - 淀粉蛋白（Aβ）的聚集^[10,11]。正在进行的这项研究的目的是确定在水中增加食用铁（5ppm/0.05 mmol/L Fe NO₃]₂）或锌(10 ppm/0.153 mmol/L ZnCO₃) 是如何改变患有AD 病的转基因Tg APP2576 模型鼠的疾病进程的。Tg APP2576 转录基因鼠含有两点APP 突变（APP_SWE）。该突变能够引起A β₄₀ 和A β₄₂ 增加、刺激神经炎动脉粥状斑内小神经胶质细胞，并提高组织化学的氧化应答值指标^[12]。采用Morris 水迷宫进行的初步行为测量结果显示饮用富含铁或锌的水的Tg APP2576 鼠和只给普通饮用水的Tg APP2576 鼠相比存在显著的差别。作者的工作旨在鉴定可能与行为观察相关的海马区细胞域内的神经元/ 蛋白质的变化。

        图2 a 表示了分别给普通饮用水的Tg 鼠和富含铁的水的Tg 鼠在海马区的可见图像，蓝色矩形划出的是红外切片图。图2 b 显示了扫描区的虚拟色彩红外图像，色彩图示代表的是β - 片层与α - 螺旋蛋白构型分别在1625 和1650 cm^-1 的峰高比。饮用富含铁水的动物表现出由α - 螺旋向β - 折叠构象的转变，这种转变可能是由于存在更多的铁引发的。基于Tg APP2576 鼠的海马区Aβ蛋白的存在^[11]以及近期工作揭示的铁可诱导Aβ构型转化为难溶形式（β - 片层），作者认为这些可见的构型变化存在于Aβ蛋白。进一步的研究将在用富含铁和锌的水饲养的Tg 模型和正常动物中进行。如果像以前研究揭示的那样，锌对Aβ蛋白构象的影响和铁不同^[10,13]。那么，比较用铁和锌处理的动物将会是十分有趣的。

        总之，本文列举的这些例子展示了同步加速红外显微光谱对生物学和生物化学的重要性。U2B 光缆已对外开放使用。读者可以申请使用，开发它在本领域或其他领域研究中的潜力。如想寻求更多的信息和申请使用光缆的读者可以登陆U2B 和NSLS 网站^[14]。