人類樣本中的蛋白質可以通過研究引起認知障礙的構象(形狀和結構)變化來檢測一組神經退行性疾病的發病，如阿爾茨海默氏症和帕金森症。蛋白質從(cong) 正常狀態(單體(ti) )到疾病狀態(中樞神經係統澱粉樣蛋白沉積和纖維形成)形成聚集體(ti) ，與(yu) 疾病進展相關(guan) 。這些變化可以通過研究酰胺帶的線形和相對吸光度，使用中紅外吸收光譜來診斷和監測。
矽波導上使用鍺的蛋白質聚集體(ti) 的中紅外吸收光譜
電磁波譜2 ~ 25µm光譜範圍對應的MIR區域與(yu) 分子振動能重合。當MIR光通過樣品時，分子間鍵通過吸收與(yu) 基態和激發態之差相同的能量而被激發到更高的振動態。這使得在該區域使用指紋吸收光譜檢測未知分析物以檢測特定鍵。傅裏葉變換紅外光譜(FTIR)通常用於(yu) 生物化學物質的分析，以確定分析信息。但是，由於(yu) MIR中吸水性強，通常不能使用長度超過10-20µm的比皿，較窄的比皿容易被真實樣品堵塞。利用衰減全反射(ATR)光譜與(yu) FTIR相結合的方法克服了這一問題。然而，傳(chuan) 統ATR元件中的離散反射次數受到嚴(yan) 重限製，而使用光波導(本質上是更薄的ATR元件)大大增加了單位長度的有效反射次數，從(cong) 而在單模波導中沿波導表麵實現了連續的倏逝波，顯著提高了器件在給定長度和樣品體(ti) 積下的靈敏度。MIR倏逝場吸收光譜對大範圍的化合物具有高選擇性，並且比其他傳(chuan) 統技術需要更少的樣本量。目前的微加工技術使得光學芯片可以批量生產(chan) ，因此成本低廉，並且可以在同一芯片上集成各種光電子和微流體(ti) 元件
蛋白質是生命中具有重要功能的生物分子，其聚集是神經退行性疾病的病理標誌。聚集的構象改變導致富含β-薄片的有毒澱粉樣蛋白沉積或纖維形成，這兩(liang) 者都與(yu) 疾病進展有關(guan) 。蛋白質中的MIR吸收主要是由於(yu) 多肽骨架(也稱為(wei) 酰胺帶)的振動而發生的。酰胺I, II和III波段波長在5-10µm之間，用作二級蛋白結構的標記。酰胺峰可以通過光譜反褶積分析來研究蛋白質及其聚集體(ti) 的結構。
1.波導製作和表征
采用IQE Silicon Compounds Ltd .的一塊3µm厚的GOS 6英寸晶圓來製作波導。利用氟化學在電感耦合等離子體(ti) (ICP)中刻蝕20 μ m寬的多模波導。端麵采用韌性切割製備。波導測量使用圖1 a)所示的設備進行。使用量子級聯激光器(QCL) (Block Engineering Inc.)在1900-800 cm-1(波長5.3 - 12.9µm)範圍內(nei) 可調諧作為(wei) 光源和兩(liang) 個(ge) 硒化鋅物鏡用於(yu) 輸入和輸出耦合。在獲取透射光譜之前，將QCL設置為(wei) 12.9µm，對準後在紅外相機(Xenics-Gobi 640)上對波導輸出進行成像，在TM偏振下的輸出強度分布如圖1b所示。模態強度分布(COMSOL)模擬顯示，沿x軸和y軸的FWHM分別為(wei) 10.1µm和2.3µm。采用熱電冷卻型碲化汞鎘(MCT)探測器(VIGO係統)記錄采集物鏡的信號。來自MCT探測器的信號被記錄在一台計算機上，該計算機也對QCL進行了調諧，並使用軟件包(LaserTune)對光譜進行處理。作為(wei) 一種簡單的紙基流體(ti) 結構，用一條濾紙將含水分析物引入波導表麵，並確定倏逝吸收路徑長度。在濾紙上蓋上一層副膜以避免樣品蒸發。已經證實，在波導表麵存在濾紙本身不會(hui) 顯著改變光傳(chuan) 輸。
圖1
2.蛋白樣品製備
在雙蒸餾水(pH = 3)中混合製備900µM BSA (Sigma Aldrich)單體(ti) 蛋白溶液。將單體(ti) 蛋白溶液置於(yu) 埃本多夫管中，在65℃的水浴中保存10 min，形成稱為(wei) 寡聚物的團聚體(ti) 。為(wei) 了製備原纖維，將epppendorf管中的單體(ti) 溶液在65℃的水浴中保存24小時。對於(yu) AFM測量，將新鮮的蛋白質樣品稀釋1/1000，然後與(yu) 雲(yun) 母基質結合兩(liang) 分鍾，然後在雙倍蒸餾水中洗滌4次並使其幹燥。對於(yu) MIR吸收光譜，儲(chu) 存在埃彭多夫管中的蛋白質樣品通過移液管被引入到波導表麵。
3.結果與(yu) 討論
在進行MIR測量之前，進行AFM以確認蛋白質聚集。圖2 (a)、(b)和(c)分別顯示了BSA蛋白單體(ti) 、低聚物和原纖維的1 μ m x 1 μ m AFM圖像。從(cong) 圖像中可以清楚地觀察到，單體(ti) 聚集在一起形成更大的組裝，如圖2 (b)所示，稱為(wei) 低聚物，並形成如圖2 (c)所示的帶狀結構，稱為(wei) 原纖維。
圖2
如圖1所示，在波導表麵放置2mm寬、100px長的濾紙條，測量水緩衝(chong) 液和波導表麵的單體(ti) 、低聚物和原纖維的BSA吸收光譜。將來自埃彭多夫管的含水緩衝(chong) 液(水)移液到濾紙的尾部，使其能夠進入波導，並首先記錄僅(jin) 含緩衝(chong) 液的透射光譜作為(wei) 參考光譜。然後將波導表麵清洗幹淨，將單體(ti) 溶液移液在相同寬度的新鮮濾紙上。然後記錄單體(ti) 樣品的透射光譜。發射功率單體(ti) 樣品的光譜除以緩衝(chong) 參比光譜的透射功率譜，得到所得的單體(ti) 吸收光譜。取10個(ge) 樣本掃描並取平均值，並用10點相鄰平均值對數據進行平滑處理。用同樣的方法測量低聚物和纖維樣品，其吸收光譜如圖3(a)所示。在1650 cm-1、1540 cm-1和1200-1350 cm-1之間清晰地觀察到酰胺I、II和III峰。圖3 (b)顯示了取自圖3 (a)的吸收光譜的酰胺I和酰胺II區域，以澄清吸收峰隨著聚集向更高的頻率移動。對於(yu) 酰胺I峰，單體(ti) 和低聚物的吸收頻率都在1650 cm-1，而對於(yu) 原纖維的吸收頻率已經轉移到1660 cm-1。對於(yu) 酰胺II峰，單體(ti) 的吸收頻率為(wei) 1540 cm-1，低聚物的吸收頻率為(wei) 1545 cm-1，纖維的吸收頻率為(wei) 1550 cm-1。
峰吸收頻率的變化和酰胺I和酰胺II的增加已被觀察到從(cong) 單體(ti) 到纖維的形成，並表明在β-片二級結構。吸光度的增加可能是由於(yu) 原纖維比單體(ti) 大得多，因此在焦體(ti) 積中樣品的量增加了。原纖維也不溶於(yu) 水，因此它們(men) 可能以固體(ti) 薄膜的形式沉積在波導表麵，從(cong) 而增加吸光度。
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