阿特秒物理實驗室的科學家已經(jīng)開發(fā)出一種獨特的激光技術(shù)，用于分析生物樣品的分子組成。它能夠檢測有機體化學組成中最小的變化。在生物化學層面上，生物體可以被認為是許多種分子的復雜集合。

生物細胞在新陳代謝過程中合成化合物，并以多種方式進行修飾。這些產(chǎn)物中的許多被釋放到細胞間介質(zhì)中，并在包括血液在內(nèi)的體液中積累。生物醫(yī)學研究的一個主要目的是：了解這些極其復雜的分子混合物能告訴我們有關(guān)有機體的狀態(tài)。

所有分化的細胞類型都促成了這個“湯”，但是癌前細胞和惡性腫瘤細胞增加了它們自己的特定分子標記，這些標記提供了體內(nèi)腫瘤細胞存在的第一個跡象。然而，到目前為止，這些指示分子中只有很少一部分被識別出來，而那些已知分子在生物樣本中出現(xiàn)的數(shù)量很少，這使得它們極難被檢測到。研究人員假設(shè)，許多信息量最大的分子簽名包括屬于細胞中所有不同類型分子的化合物組合，蛋白質(zhì)、糖、脂肪及其各種衍生物。

為了定義它們，研究人員需要一種單一的分析方法，這種方法具有足夠的通用性和靈敏度，足以檢測和測量它們的水平。由Ferenc Krausz教授領(lǐng)導的一個跨學科團隊，現(xiàn)在已經(jīng)建造了一種專門為此目的而設(shè)計的基于激光新系統(tǒng)。該小組的總部設(shè)在阿托秒物理實驗室(LAP)，該實驗室由慕尼黑的路德維希-馬克西米利安-大學(LMU)和馬克斯·普朗克量子光學研究所(MPQ)聯(lián)合運營，成員包括物理學家、生物學家和數(shù)據(jù)科學家。

這個系統(tǒng)使研究人員能夠獲得紅外光譜形式的化學指紋，揭示各種樣品的分子組成，包括生物來源的樣品。這項技術(shù)提供了前所未有的靈敏度，可以用于所有已知類別的生物分子。新激光光譜儀建立在最初在LAP上開發(fā)用于產(chǎn)生超短激光脈沖的技術(shù)之上，超短激光脈沖用于研究亞原子系統(tǒng)的超快動力學。這臺儀器是由物理學家約阿希姆·普佩扎(Ioachim Pupeza)和同事們建造，旨在發(fā)射極其強大的激光脈沖，覆蓋紅外波長的大部分光譜。

這些脈沖中的每一個都持續(xù)幾飛秒（在科學記數(shù)法中，1fs=10^-15s）。這些極其短暫的紅外線閃光導致連接原子的鍵振動。其效果類似于敲打音叉的效果，脈沖通過后，振動的分子以高特征波長或相當于振蕩頻率發(fā)射相干光。這項新技術(shù)使得捕獲發(fā)射波長的完整集合成為可能。由于樣品中的每一種不同化合物都以一組特定的頻率振動，它為發(fā)射貢獻了自己定義良好的“亞譜”，沒有分子可以有藏身之處。

這項研究的第一作者、生物學家米哈拉·齊格曼(Mihaela Zigman)團隊的成員馬利納斯·胡伯(Marinus Huber)說：使用這種激光器，我們可以覆蓋從6微米到12微米的廣泛紅外波長，這些波長可以刺激分子的振動。與質(zhì)譜不同的是，這種方法提供了對生物樣本中發(fā)現(xiàn)的所有類型分子的訪問。用于激發(fā)分子的每個超短激光脈沖只由光場的幾次振蕩組成。此外，脈沖的光譜亮度（即其光子密度）高達傳統(tǒng)同步加速器產(chǎn)生光譜亮度的兩倍，到目前為止，傳統(tǒng)同步加速器一直是分子光譜可比方法的輻射源。

此外，紅外輻射在空間和時間上都是相干的，所有這些物理參數(shù)共同解釋了新激光系統(tǒng)極高的靈敏度，使極低濃度的分子能夠被探測到，并產(chǎn)生高精度的分子指紋。此外，厚度達0.1毫米的活組織樣本現(xiàn)在可以用紅外線照明，并以無與倫比的靈敏度進行分析。在最初的實驗中，該小組在圈內(nèi)將這項技術(shù)應用于樹葉和其他活細胞，以及血液樣本。這種精確測量體液分子組成變化的能力，為生物學和醫(yī)學開辟了新的可能性，在未來，這項技術(shù)可能會在疾病的早期檢測中找到應用。

博科園｜研究/來自：慕尼黑路德維希馬克西米利安大學

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1850-7

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