生物领域中红外光谱技术应用检测方案(红外光谱仪)

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红外光谱技术在生物领域中的应用 傅里叶变换红外光谱 (FTIR)分析技术正不断发展和进步，不仅成功应用于蛋白质、糖原、核酸等生物大分子的结构分析，而且还被用于研究细胞和组织等更加复杂的体系，尤其是肿瘤细胞和组织分析。目前 FTIR 已广泛应用于生物学多个领域中，如细胞生物学、分子生物学、蛋白质组学、动物学、植物学、生态学、免疫学等等。 FTIR 技术在生物样品研究中具有以下几个优点：1)快速无损，无需试剂，样品用量少，各形态样品均适合，不破坏样品结构，既可研究样品表面结构，又可研究样品整体结构；2)能在分子水平上直接了解研究分子或体系的机构，得到基因生物功能信息，新化学键的形成及类型，以及环境对生物样品的影响；3)结合化学计量学方法，可有效提取复杂信号中的有用信息，准确进行成分的定性鉴别和定量分析，而且可以同时测定多个指标。 i下面力晶小天为大家简单介绍一些成熟的应用实例： 1、生物大分子中的应用 细胞是器官和组织的最小组成单元，而细胞是由核酸、蛋白质、脂类和糖类等生物大分子组成的。细胞的红外光谱由这些分子的振动光谱叠加组成，它反映这些组分在细胞内的量及构型构象等信息，前人整理了人体组织和细胞的红外光谱特征吸收频率和振动方式见下表。 Frequency Vibration mode Major contributory ingredients 973 VSpo 核酸、磷酸化蛋白质 ~1082 VSpo， DNA、RNA、磷脂 ~1033 Vco +8 co 糖类、胶原 1159~1174 Vco 蛋白质中的Vco和脂类中的 Veo ~1236 VaSpo， RNADNA 1279~1399 酰胺Ⅲ+8 Sc 胶原 1400~1456 8 aScH， 蛋白质、脂、核酸 1467 8 ascH， 蛋白质、脂、核酸 1500~1600 酰胺 II的 Ven 8NH 蛋白质 1610~1690 酰胺I的Vc-o 蛋白质 1700~1800 Vc-o 脂 2853 √ScH， 脂、蛋白质 2925 VascH 脂、蛋白质 2958 VascH 脂、核酸、蛋白质 3007 VcH 脂的不饱和碳上的 C-H ~3075 VN-H 蛋白质酰胺B带 ~3307 VNH 蛋白质酰胺A带 表1人体组织或细胞的红外光谱吸收频率及振动方式 我们知道，葡萄糖、低密脂蛋白胆固醇、甘油三酯和尿素是血清中的四种主要代谢成分，也是人体健康和亚健康的重要临床指标，逐渐得到人们的重视，已有学者建立了用 FTIR对四项指标进行同时快速定量检测的方法。暨南大学的尹浩优化了全血样品中血红蛋白浓度、平均红细胞血红蛋白含量和平均红细胞体积三项指标的红外快速检测方法，可大范围筛查地中海贫血症。还有研究表明，利用FTIR对人体血清样本的各种临床生化指标进行实时监测，能够快速地提取细胞变异信息，进而及时控制病变。 2、肿瘤方面的应用 近二十年来，很多学者把 FTIR运用到早期癌症诊断上，癌细胞的基本生物化学特征是肿瘤的 FTIR 分析的基础。与正常组织的红外光谱相比，肿瘤组织的红外光谱在峰形、峰强、吸收频率等方面都有非常显著的差异。这些差异提示：癌变细胞和组织中核酸相对含量增加，糖原或胶原的相对含量下降，核酸分子中磷酸二酯基团的氢键结合力增强，脂质中亚甲基链变得更无序。已有很多人通过对核酸内部的磷酸二酯，癌变组织中糖原，蛋白质分子中的丝氨酸、苏氨酸和酷氨酸等吸收峰的检测，鉴别胃、食道、乳腺、皮肤、结肠癌等细胞，并对病程进展各期：正常→微小病理变化一恶性期做出诊断。 相对于肿瘤组织和细胞，尿液和血清样本更易获得，电子科技大学的杨红霞分别检测了两百多个癌症患者的尿液和血清样本的红外光谱，验证了癌症样本光谱的峰形和峰强与正常人的明显差异。尤其是用 FTIR 检测血清样品，诊断的准确率很高，从而建立了癌症早期筛查的有效方法。 更多人运用蛋白质二级结构检测方法，!对癌症进行诊断筛查。红外光谱法应用于蛋白质结构的定性和定量分析已有几十年的历史，是一种非常成熟的分析方法，人们对各类蛋白质二级结构红外吸收峰，以及同类蛋白质不同组分的特种频率和指认，都已非常明确。目前，蛋白质红外检测方法已广泛应用于药物研发、产品质量控制和出厂检测中，力晶小天将会在下期为大家介绍蛋白质二级结构分析的相关内容。 3、动植物提取物方面的应用 动物提取物的定性鉴别对于传统检测方法来说是比较困难的，l，以动物胶类药材为例，在通过动物皮类熬制过程中，胶原蛋白会分解为更小的肽类，难以鉴别，所以掺假现象普遍。用红外光谱及其二维 光谱可以直观地对不同胶类进行定性鉴别，还可用于鉴别某种胶的真伪。下图是不同动物胶类的红外原始光谱。 图1各种动物提取胶的红外光谱 对于中草药提取物的 FTIR定性鉴别应用非常多，例如成分分析、产地鉴别、判断真伪、非法添加检测等等，应用很普及。 FTIR 的定量分析方法也给行业带来了很多便利，很多中药提取物因生产工艺和储存条件的要求，需在生产过程中添加一定量的麦芽糊精。例如用FTIR 快速检测葛根提取物混合粉末中麦芽糊精含量，可使企业有效把握提取物质量，也可帮助市场监管部门有效地监督提取物市场以次充好的混乱现象。下图所示就是葛根粉和麦芽糊精的红外光谱，以及麦芽糊精的定量标准曲线，精度很高。 图2葛根粉中麦芽糊精的定量分析 军事医学科学院仪器分析中心的刘炳玉等人还通过红外液体池透射法，定量测定青蒿素和磷酸萘酚奎抗疟复方制剂中青蒿素的含量，从而考察复方的稳定性，建立了简便、回收率高且精密度好的质控方法。 4、人工抗原的鉴定 人工抗原的偶联是否成功，抗原合成后的化学结构是否达到预期?用FTIR马上分析一下，答案立即揭晓，而且结果非常直观。 例如诺氟沙星、恩氟沙星、氧氟沙星等药物在动物源食品中的残留对人毒副作用很大，甚至有致畸、致癌、致突变等危害，所以含量有严格限定，常采用快速简便的酶联免疫吸附测定技术 (ELISA) 检测。新乡医学院实验动物中心的李超英等人采用碳二亚胺法制备诺氟沙星人工抗原，通过红外光谱鉴定人工抗原偶联是否成功。如下图所示，诺氟沙星标准品在1760-1600cm*和3005-3120cm处 有强吸收峰，这是羧酸基团中羰基和羟基的特征峰，诺氟沙星人工 抗原中保留了羰基吸收峰，而羟基吸收峰消失，证明抗原改造和偶 联成功。 图3诺氟沙星、牛血清白蛋白、诺氟沙星人工抗原的红外光谱 5、生物制剂中的应用 FTIR 在生物制剂中的异物检测中发挥了非常重要的作用，如生物注射液中的可见异物或杂质的鉴别和溯源，药企可用灯检法或光散射法初步筛查出有异物的产品，然后将其过滤，将带有异物的滤膜放置在红外光谱仪的显微附件下检测，最后经谱库检索获得异物化学成分并判断其来源。 灯检 过滤 红外检测 鉴定溯源 作为一种快速无损的分析检测方法，红外光谱技术在生物领域中的应用，必将随着科技水平的提高和其他分析手段的连用而日益增加，并在生物免疫，遗传等相关领域发挥越来越重要的作用。 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析技术正不断发展和进步，不仅成功应用于蛋白质、糖原、核酸等生物大分子的结构分析，而且还被用于研究细胞和组织等更加复杂的体系，尤其是肿瘤细胞和组织分析。目前FTIR已广泛应用于生物学多个领域中，如细胞生物学、分子生物学、蛋白质组学、动物学、植物学、生态学、免疫学等等。FTIR技术在生物样品研究中具有以下几个优点：1）快速无损，无需试剂，样品用量少，各形态样品均适合，不破坏样品结构，既可研究样品表面结构，又可研究样品整体结构；2）能在分子水平上直接了解研究分子或体系的机构，得到基因生物功能信息，新化学键的形成及类型，以及环境对生物样品的影响；3）结合化学计量学方法，可有效提取复杂信号中的有用信息，准确进行成分的定性鉴别和定量分析，而且可以同时测定多个指标。下面力晶小天为大家简单介绍一些成熟的应用实例：1、生物大分子中的应用细胞是器官和组织的最小组成单元，而细胞是由核酸、蛋白质、脂类和糖类等生物大分子组成的。细胞的红外光谱由这些分子的振动光谱叠加组成，它反映这些组分在细胞内的量及构型构象等信息，前人整理了人体组织和细胞的红外光谱特征吸收频率和振动方式见下表。我们知道，葡萄糖、低密脂蛋白胆固醇、甘油三酯和尿素是血清中的四种主要代谢成分，也是人体健康和亚健康的重要临床指标，逐渐得到人们的重视，已有学者建立了用FTIR对四项指标进行同时快速定量检测的方法。暨南大学的尹浩优化了全血样品中血红蛋白浓度、平均红细胞血红蛋白含量和平均红细胞体积三项指标的红外快速检测方法，可大范围筛查地中海贫血症。还有研究表明，利用FTIR对人体血清样本的各种临床生化指标进行实时监测，能够快速地提取细胞变异信息，进而及时控制病变。2、肿瘤方面的应用近二十年来，很多学者把FTIR运用到早期癌症诊断上，癌细胞的基本生物化学特征是肿瘤的FTIR分析的基础。与正常组织的红外光谱相比，肿瘤组织的红外光谱在峰形、峰强、吸收频率等方面都有非常显著的差异。这些差异提示：癌变细胞和组织中核酸相对含量增加，糖原或胶原的相对含量下降，核酸分子中磷酸二酯基团的氢键结合力增强，脂质中亚甲基链变得更无序。已有很多人通过对核酸内部的磷酸二酯，癌变组织中糖原，蛋白质分子中的丝氨酸、苏氨酸和酷氨酸等吸收峰的检测，鉴别胃、食道、乳腺、皮肤、结肠癌等细胞，并对病程进展各期：正常→微小病理变化→恶性期做出诊断。相对于肿瘤组织和细胞，尿液和血清样本更易获得，电子科技大学的杨红霞分别检测了两百多个癌症患者的尿液和血清样本的红外光谱，验证了癌症样本光谱的峰形和峰强与正常人的明显差异。尤其是用FTIR检测血清样品，诊断的准确率很高，从而建立了癌症早期筛查的有效方法。更多人运用蛋白质二级结构检测方法，对癌症进行诊断筛查。红外光谱法应用于蛋白质结构的定性和定量分析已有几十年的历史，是一种非常成熟的分析方法，人们对各类蛋白质二级结构红外吸收峰，以及同类蛋白质不同组分的特种频率和指认，都已非常明确。目前，蛋白质红外检测方法已广泛应用于药物研发、产品质量控制和出厂检测中，力晶小天将会在下期为大家介绍蛋白质二级结构分析的相关内容。3、动植物提取物方面的应用动物提取物的定性鉴别对于传统检测方法来说是比较困难的，以动物胶类药材为例，在通过动物皮类熬制过程中，胶原蛋白会分解为更小的肽类，难以鉴别，所以掺假现象普遍。用红外光谱及其二维光谱可以直观地对不同胶类进行定性鉴别，还可用于鉴别某种胶的真伪。下图是不同动物胶类的红外原始光谱。对于中草药提取物的FTIR定性鉴别应用非常多，例如成分分析、产地鉴别、判断真伪、非法添加检测等等，应用很普及。FTIR的定量分析方法也给行业带来了很多便利，很多中药提取物因生产工艺和储存条件的要求，需在生产过程中添加一定量的麦芽糊精。例如用FTIR快速检测葛根提取物混合粉末中麦芽糊精含量，可使企业有效把握提取物质量，也可帮助市场监管部门有效地监督提取物市场以次充好的混乱现象。下图所示就是葛根粉和麦芽糊精的红外光谱，以及麦芽糊精的定量标准曲线，精度很高。军事医学科学院仪器分析中心的刘炳玉等人还通过红外液体池透射法，定量测定青蒿素和磷酸萘酚奎抗疟复方制剂中青蒿素的含量，从而考察复方的稳定性，建立了简便、回收率高且精密度好的质控方法。4、人工抗原的鉴定 人工抗原的偶联是否成功，抗原合成后的化学结构是否达到预期？用FTIR马上分析一下，答案立即揭晓，而且结果非常直观。例如诺氟沙星、恩氟沙星、氧氟沙星等药物在动物源食品中的残留对人毒副作用很大，甚至有致畸、致癌、致突变等危害，所以含量有严格限定，常采用快速简便的酶联免疫吸附测定技术（ELISA）检测。新乡医学院实验动物中心的李超英等人采用碳二亚胺法制备诺氟沙星人工抗原，通过红外光谱鉴定人工抗原偶联是否成功。如下图所示，诺氟沙星标准品在1760-1600cm-1和3005-3120cm-1处有强吸收峰，这是羧酸基团中羰基和羟基的特征峰，诺氟沙星人工抗原中保留了羰基吸收峰，而羟基吸收峰消失，证明抗原改造和偶联成功。5、生物制剂中的应用FTIR在生物制剂中的异物检测中发挥了非常重要的作用，如生物注射液中的可见异物或杂质的鉴别和溯源，药企可用灯检法或光散射法初步筛查出有异物的产品，然后将其过滤，将带有异物的滤膜放置在红外光谱仪的显微附件下检测，最后经谱库检索获得异物化学成分并判断其来源。作为一种快速无损的分析检测方法，红外光谱技术在生物领域中的应用，必将随着科技水平的提高和其他分析手段的连用而日益增加，并在生物免疫，遗传等相关领域发挥越来越重要的作用。