據(jù)麥姆斯咨詢報道,,近日,一支由奧地利維也納技術(shù)大學(TU Wien),、巴西里約熱內(nèi)盧天主教大學(PonTIfícia Universidade Católica do Rio de Janeiro)和捷克布爾諾理工大學(BrnoUniversity of Technology)的研究人員組成的團隊在Nature CommunicaTIons期刊上發(fā)表了題為“A mid-infrared lab-on-a-chip for dynamic reacTIon monitoring”的最新論文,,該論文提出的基于量子級聯(lián)技術(shù)的單片集成的中紅外傳感器——“芯片實驗室”(lab-on-a-chip),,可實現(xiàn)液體中動態(tài)化學反應的原位監(jiān)測。
圖1 牛血清白蛋白(BSA)的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)及提出的中紅外傳感器示意圖
從醫(yī)學診斷,、環(huán)境傳感和氣候研究到光譜成像和安全應用,,傳感器已經(jīng)在無數(shù)層面進入了我們的日常生活。它們檢測,、分析各種相關物質(zhì)(例如潛在的危險化學品)并對其做出反饋,。雖然中紅外(mid-IR)氣相光譜技術(shù)如今已被廣泛用于基于量子級聯(lián)(QC)技術(shù)的傳感應用,但液體檢測技術(shù)仍處于起步階段,。例如,,包括嘗試解決高密度液體介質(zhì)中非常寬的吸收帶(》10-50cm?1)。當在非常低(ppb-到ppt-)濃度水平或快速變化的濃度下檢測目標分析物,,同時研究分子的化學反應或構(gòu)象變化時,,這將成為一項更具挑戰(zhàn)性的任務。監(jiān)測液相動態(tài)過程的傳感器的理想特性包括快速響應時間,、高靈敏度和特異性,,以及分析微升(microliter)樣本大小的寬動態(tài)濃度范圍的能力。
因此,,在中紅外光譜范圍(~500-1700cm?1)內(nèi)基本分子吸收的光譜指紋區(qū)域,,特別是在蛋白質(zhì)分析中的蛋白質(zhì)酰胺I帶區(qū)域(~1600-1700cm?1),對于傳感器的特異性而言是非常有益的,。
傳感器的靈敏度取決于其噪聲性能和校準線的斜率,。在基于Beer-Lambert定律的光譜技術(shù)中,靈敏度可以通過最大化樣本中光的有效相互作用長度來定制,。然而,,對于現(xiàn)有技術(shù),水溶液中典型的中紅外吸收長度值位于低微米尺度,,并且通常需要使用體積龐大的設備,。因此,高功率光源和高性能探測器,,如QC激光器(QCL)和QC探測器(QCD),,是改進其性能的有利工具。它們可以解決中紅外液相光譜在實際應用中的問題,,并能夠探測遠超過幾微米的樣本膜厚度,,從而實現(xiàn)簡化和更具魯棒性的樣本處理,。
與之前報道的文獻中首次實驗已經(jīng)解決的傳感器特異性和靈敏度相比,本論文的作者們想證實一個設想,,表明在兩個額外的關鍵特性上取得了重大進展:
?。╥)動態(tài)過程,如化學反應或構(gòu)象變化中的那些發(fā)現(xiàn),,即分子三維結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化,,揭示了重要的特征,必須以高時間分辨率對其進行分析,,以便進行充分的研究,。用于無標記實時測量的原位傳感器是監(jiān)測這些分析物變化的理想工具,完全避免了耗時的離線分析,。
?。╥i)芯片上分析微量液體的能力通過傳感器小型化實現(xiàn)了用于實際應用的檢測方案。這包括在線測量微升樣本,,僅對化學過程產(chǎn)生最小的干擾,。
在本論文研究中,作者們提出了下一代,、完全集成和魯棒的芯片級中紅外傳感器,,適用于在線測量溶液中的分子動力學。指尖大?。ā?×5mm2)的器件采用了量子級聯(lián)技術(shù),,將發(fā)射器、傳感部分和探測器結(jié)合在同一個芯片上,。他們利用光學有限元(FEM)仿真分析了傳感器的性能,,從理論上證實了其在液體環(huán)境中原位監(jiān)測的適用性。利用D2O環(huán)境中的牛血清白蛋白(BSA)樣本,,他們在研究中進行了兩種類型的測量:確定傳感器校準線,;并進行熱變性實驗,監(jiān)測蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的相關變化,。定量測量實驗揭示了其在傳感器線性,,濃度覆蓋范圍(從0.075mg ml?1到92mg ml?1)和吸光度(比最先進的大型離線參考系統(tǒng)高55倍)方面的優(yōu)異性能。
圖2 熱變性測量實驗設置
圖3 熱變性測量實驗結(jié)果
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