10nm近场红外技术攻克单一蛋白观测难题，开辟单分子红外光谱新道路
时间：2024-03-28 阅读：401
近日，日本分子科学研究所的西田纯助教、熊谷崇副教授的研究团队利用Neaspec公司研发的纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR在单蛋白领域取得重要进展，实现单个蛋白质的红外振动光谱的检测。相关研究成果以Sub-Tip-Radius Near-Field Interactions in Nano-FTIR Vibrational Spectroscopy on Single Proteins为题，发表于Nano Letters上[1]。
红外光谱是研究分子结构和功能的重要工具之一。传统红外光谱测量通常需要使用大量的样品并且空间分辨率较低，难以应用于单个蛋白分子的研究。本文中使用的纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR采用全新的散射式核心技术，有效突破了光学分辨率的极限，空间分辨率优于10 nm，突破性的实现了单个蛋白的红外光谱成像。
纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR
在本研究中，作者将纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR中红外波段的光源发出的光，利用迈克尔逊干涉装置分成两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过针尖，在针尖顶点形成一个比激发波长小几千倍，尺寸只由针尖曲率半径决定的纳米焦点。针尖的天线效应将含有样品近场信息的干涉光反馈给HgCdTe检测器，然后通过设备控制器的信号处理模块，利用傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波数或波长的纳米级局部红外吸收光谱图。
纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR测量单一蛋白质的红外近场显微光谱示意图
随后，研究团队利用纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR对由～500个氨基酸残基组成的单个蛋白质的酰胺I振动进行了表征。该单蛋白在空气气氛中制备于尺寸仅为4×4×8 nm的原子级平滑的金基底上。该金属性基底与设备针尖共同作用，为实验者提供了纯净的高阶信号，并通过针尖曲率半径所提供的几何特性，为表征提供了纳米级的空间分辨率。
单个蛋白的纳米傅里叶红外吸收成像及光谱图
该研究对于理解蛋白质功能和相互作用具有重要意义，并且为纳米级红外光谱在各个领域的应用开辟了新的可能性。该研究的成功代表我们向使用中红外光进行超灵敏和高分辨率的成像迈出了重要的一步。研究者所使用的纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR在分子生物学（用于精确蛋白质分析）、材料科学（用于纳米材料表征）以及医学诊断（用于识别疾病分子标记）等领域都开辟了多种应用。
参考文献：
[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