飛秒熒光光譜技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用

[導(dǎo)讀] 熒光光譜學(xué)被廣泛應(yīng)用于研究生物大分子的結(jié)構(gòu)及功能，特別是蛋白質(zhì)與水環(huán)境、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間相互作用的動(dòng)力學(xué)等等。

　　近年來，隨著超快激光技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)光電子設(shè)備的升級(jí)和更新，尤其是飛秒激光的出現(xiàn)，頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)的時(shí)間分辨率達(dá)到了飛秒量級(jí)，為生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究帶來了新的發(fā)展契機(jī)。熒光光譜學(xué)被廣泛應(yīng)用于研究生物大分子的結(jié)構(gòu)及功能，特別是蛋白質(zhì)與水環(huán)境、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間相互作用的動(dòng)力學(xué)等等。

　　華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陶占東等研究人員在漢斯《生物物理學(xué)》學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的文章中強(qiáng)調(diào)，在生命科學(xué)領(lǐng)域，包括生物物理和生物化學(xué)，將頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用于時(shí)間分辨熒光光譜探測(cè)已經(jīng)成為研究生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能及動(dòng)力學(xué)的重要技術(shù)手段。

　　作為一項(xiàng)高時(shí)間分辨率的測(cè)量技術(shù)，非線性光學(xué)頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)日益成熟。事實(shí)上，頻率上轉(zhuǎn)換熒光光譜技術(shù)的原理并不復(fù)雜，但所涉及領(lǐng)域甚廣，包括激光技術(shù)、非線性光學(xué)技術(shù)、泵浦探測(cè)技術(shù)、光譜測(cè)量與分析技術(shù)以及蛋白質(zhì)樣品制備、定點(diǎn)突變技術(shù)等等。此外，頻率上轉(zhuǎn)換熒光光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是龐大而復(fù)雜的，只有認(rèn)真細(xì)致地調(diào)整和優(yōu)化系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，才能獲取良好的探測(cè)效果，這往往需要研究者耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。

　　飛秒頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)的出現(xiàn)，將時(shí)間分辨熒光的探測(cè)精度提高到了飛秒量級(jí)，引起了生命科學(xué)領(lǐng)域研究人員的普遍關(guān)注。熒光基團(tuán)(如色氨酸)在極性溶劑或極性環(huán)境中的溶劑弛豫、激發(fā)態(tài)的能量轉(zhuǎn)移以及其他與熒光發(fā)光相關(guān)的動(dòng)力學(xué)往往反映了熒光基團(tuán)所處環(huán)境的情況。這些過程大多數(shù)都在很短的時(shí)間內(nèi)完成(飛秒至皮秒)，對(duì)熒光的影響一般只出現(xiàn)在熒光起始端很窄的時(shí)域內(nèi)，超出了一般的時(shí)間分辨熒光技術(shù)(如TCSPC)的分辨極限。因此，飛秒分辨頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)常常用于研究超快熒光動(dòng)力學(xué)。

　　文中表示，色氨酸熒光具有較長(zhǎng)的壽命、較強(qiáng)的發(fā)射峰值、可觀的量子產(chǎn)率和明顯的旋轉(zhuǎn)各向異性，同時(shí)色氨酸的吸收波段很寬，其熒光發(fā)射光譜有明顯的斯托克斯位移，因此色氨酸及其衍生物常被用在熒光探究性實(shí)驗(yàn)中。水是天然的溶劑，幾乎所有的生物大分子，如蛋白質(zhì)、DNA等，離開水都會(huì)失去活性。很多研究小組利用飛秒分辨頻率上轉(zhuǎn)換熒光光譜系統(tǒng)分別研究了色氨酸在水溶液中的動(dòng)力學(xué)。飛秒分辨蛋白質(zhì)熒光方面取得了成果。

　　其次，利用飛秒頻率上轉(zhuǎn)換熒光系統(tǒng)探測(cè)蛋白質(zhì)(帶有熒光探針)的時(shí)間分辨熒光，可以獲取蛋白質(zhì)不同位點(diǎn)上的環(huán)境特征。通過對(duì)不同位點(diǎn)或不同狀態(tài)下的蛋白熒光進(jìn)行綜合比較，可以研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。許多國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)小組已在飛秒分辨蛋白質(zhì)熒光方面取得了成果。而且，DNA動(dòng)力學(xué)也可以利用頻率上轉(zhuǎn)換熒光光譜技術(shù)來探測(cè)，尤其是在頻率上轉(zhuǎn)換的飛秒時(shí)間分辨下，地獲取DNA的超快動(dòng)力學(xué)特征將有助于更進(jìn)一步地研究DNA的結(jié)構(gòu)及功能。

　　總之，隨著人類對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)知的不斷深入以及各種技術(shù)手段的不斷發(fā)展成熟，目前已經(jīng)達(dá)到飛秒時(shí)間分辨的頻率上轉(zhuǎn)換熒光光譜技術(shù)為生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究提供了有力的和廣闊的發(fā)展前景。

[來源：千人智庫(kù)]