基于監(jiān)測液相動態(tài)過程傳感器的理想特性

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，一支由奧地利維也納技術大學（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）氣相光譜技術如今已被廣泛用于基于量子級聯(lián)（QC）技術的傳感應用，但液體檢測技術仍處于起步階段。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，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：

（i）動態(tài)過程，如化學反應或構象變化中的那些發(fā)現(xiàn)，即分子三維結(jié)構的結(jié)構變化，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。

（ii）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，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