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10nm近場紅外技術攻克單一蛋白觀測難題，開辟單分子紅外光譜新道路
近日，日本分子科學研究所的西田純助教、熊谷崇副教授的研究團隊利用Neaspec公司研發的納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR在單蛋白領域取得重要進展，實現單個蛋白質的紅外振動光譜的檢測。相關研究成果以Sub-Tip-Radius Near-Field Interactions in Nano-FTIR Vibrational Spectroscopy on Single Proteins為題，發表于Nano Letters上[1]。
紅外光譜是研究分子結構和功能的重要工具之一。傳統紅外光譜測量通常需要使用大量的樣品并且空間分辨率較低，難以應用于單個蛋白分子的研究。本文中使用的納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR采用全新的散射式核心技術，有效突破了光學分辨率的極限，空間分辨率優于10 nm，突破性的實現了單個蛋白的紅外光譜成像。
納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR
在本研究中，作者將納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR中紅外波段的光源發出的光，利用邁克爾遜干涉裝置分成兩束，一束經透射到達動鏡，另一束經反射到達定鏡。兩束光分別經定鏡和動鏡反射再回到分束器，動鏡以恒定速度作直線運動，因而經分束器分束后的兩束光形成光程差，產生干涉。干涉光在分束器會合后通過針尖，在針尖頂點形成一個比激發波長小幾千倍，尺寸只由針尖曲率半徑決定的納米焦點。針尖的天線效應將含有樣品近場信息的干涉光反饋給HgCdTe檢測器，然后通過設備控制器的信號處理模塊，利用傅里葉變換對信號進行處理，最終得到透過率或吸光度隨波數或波長的納米級局部紅外吸收光譜圖。
納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR測量單一蛋白質的紅外近場顯微光譜示意圖
隨后，研究團隊利用納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR對由～500個氨基酸殘基組成的單個蛋白質的酰胺I振動進行了表征。該單蛋白在空氣氣氛中制備于尺寸僅為4×4×8 nm的原子級平滑的金基底上。該金屬性基底與設備針尖共同作用，為實驗者提供了純凈的高階信號，并通過針尖曲率半徑所提供的幾何特性，為表征提供了納米級的空間分辨率。
單個蛋白的納米傅里葉紅外吸收成像及光譜圖
該研究對于理解蛋白質功能和相互作用具有重要意義，并且為納米級紅外光譜在各個領域的應用開辟了新的可能性。該研究的成功代表我們向使用中紅外光進行超靈敏和高分辨率的成像邁出了重要的一步。研究者所使用的納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR在分子生物學（用于精確蛋白質分析）、材料科學（用于納米材料表征）以及醫學診斷（用于識別疾病分子標記）等領域都開辟了多種應用。
參考文獻：
[1]. Nishida et al., Sub-Tip-Radius Near-Field Interactions in Nano-FTIR Vibrational Spectroscopy on Single Proteins, Nano Lett. 2024, 24, 3, 836–843
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