Среди

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4753 (2022) Цитировать эту статью

8239 Доступов

7 цитат

180 Альтметрика

Подробности о метриках

Спектроскопия среднего инфракрасного диапазона — чувствительный и селективный метод исследования молекул в газовой или жидкой фазе. Исследование химических реакций в биомедицинских приложениях, таких как производство лекарств, в последнее время приобретает особый интерес. Однако мониторинг динамических процессов в жидкостях обычно ограничивается громоздкими системами и, следовательно, требует трудоемкой автономной аналитики. В этой работе мы демонстрируем полностью интегрированный и надежный датчик нового поколения для онлайн-измерений динамики молекул в жидком растворе. В нашем устройстве размером с кончик пальца используется технология квантового каскада, объединяющая излучатель, чувствительную секцию и детектор на одном чипе. Это позволяет проводить измерения в режиме реального времени, исследуя только микролитры количества аналита в конфигурации in situ. Мы демонстрируем работу устройства с временным разрешением, анализируя температурно-индуцированные конформационные изменения модельного белка бычьего сывороточного альбумина в тяжелой воде. Количественные измерения демонстрируют отличные рабочие характеристики с точки зрения линейности сенсора, широкого охвата концентраций от 0,075 мг/мл до 92 мг/мл и оптической плотности, в 55 раз более высокой, чем у современных громоздких и автономных эталонных систем. .

Датчики вошли в нашу повседневную жизнь на бесчисленных уровнях: от медицинской диагностики1,2,3, зондирования окружающей среды и исследования климата4,5 до спектральной визуализации6 и приложений безопасности7. Они обнаруживают, анализируют и реагируют на все виды соответствующих веществ, например, на потенциально опасные химические вещества8. В то время как газовая спектроскопия среднего инфракрасного диапазона (среднего ИК) в настоящее время широко используется для сенсорных приложений, основанных на технологии квантового каскада (КК)9,10,11, методы обнаружения жидкости все еще находятся в зачаточном состоянии12,13,14. К ним относятся, например, попытки решить проблему очень широких полос поглощения (>10–50 см-1) в среде жидкостей с гораздо более высокой плотностью15,16,17. Это становится еще более сложной задачей при обнаружении целевых аналитов при (i) очень низких (от ppb до ppt) уровнях концентрации или (ii) быстро меняющихся концентрациях при исследовании химических реакций или конформационных изменений молекул. Желательные характеристики датчиков, контролирующих динамические процессы в жидкой фазе, включают быстрое время отклика, высокую чувствительность и специфичность, а также способность анализировать широкий диапазон динамических концентраций в образцах размером в микролитры.

Следовательно, высокая специфичность сенсора очень выгодна для нацеливания на область спектрального отпечатка абсорбции фундаментальных молекул в среднем инфракрасном спектральном диапазоне (~ 500–1700 см-1 18,19), и в частности на область амида белка. I полоса (~1600–1700 см–1) в случае анализа белков20.

Чувствительность датчика зависит от его шумовых характеристик и наклона калибровочной линии. В спектроскопических методах, основанных на законе Бера-Ламберта, чувствительность можно настроить за счет максимизации эффективной длины взаимодействия света внутри образца. Однако типичные значения длины поглощения в среднем ИК-диапазоне в водном растворе лежат в пределах микрометрового масштаба для существующих методов и часто используют громоздкие устройства9,14,21. Следовательно, мощные источники света, такие как лазеры QC (QCL), и высокопроизводительные детекторы, такие как детекторы QC (QCD), являются благоприятными инструментами для улучшений. Они позволяют решать реальные задачи в области жидкофазной спектроскопии среднего ИК-диапазона и способны измерять толщину пленки образца, превышающую несколько микрометров, что обеспечивает упрощенную и более надежную обработку образцов8,13,22.

В отличие от специфичности и чувствительности сенсора, которые уже рассматривались в первых экспериментах в литературе23, мы хотим продемонстрировать концепцию, которая демонстрирует значительный прогресс по двум дополнительным критическим характеристикам:

(i) Динамические процессы, подобные тем, которые обнаруживаются в химических реакциях24 или конформационных изменениях, т.е. структурных изменениях трехмерной структуры молекул13, обнаруживают важные характеристики, которые необходимо анализировать с высоким временным разрешением для их адекватного исследования. Датчик in situ для измерений в реальном времени без меток — идеальный инструмент для мониторинга изменений аналитов, позволяющий полностью избежать трудоемкой автономной аналитики.