中红外频率梳桌面系统 助力蛋白质结构探测

NIST的桌面频率梳，可用于识别空气中的水分子。屏幕上方的黄色曲线表示实验室中穿过空气的中红外激光电场。屏幕下方橙色曲线显示了对应的光谱，图中向下的峰值表示被水吸收的频率。

据报道，美国科罗拉多州博尔德小镇（Boulder，Colorado）国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的Scott Diddams与国际团队合作，使用相对简单的激光装置搭建出独特的频率梳系统，该装置可覆盖整个中红外频谱范围，小到足以构建为桌面系统，用来探测复杂蛋白质分子的结构和组成。

像蛋白质这样的大型生物分子具有极其复杂的折叠结构，这种复杂的结构使得研究它们非常困难。蛋白质通常由数千个原子组成，它们常常在中红外频率振动和旋转。因此利用中红外光探测蛋白质分子，然后测量其特征吸收光谱，就可以在蛋白质的组成、结构及功能等方面获得重大的发现。

但是，由于在目前的激光光谱学系统中，中红外区域缺乏足够宽的频带宽度来同时研究蛋白质共振的全范围，因此这类研究相当困难。此外，与可见光和近红外光相比，准确地调谐中红外光源并实现准确探测更为困难。

规律的频率间隔是关键

Diddams的团队通过利用两支锁相光纤激光器所产生的中红外频率梳来实现探测蛋白质分子，从而解决了以上那些问题。这种方式可产生一系列短而明亮的脉冲，该脉冲在整个中红外频率范围内以规律的频率间隔出现，其频谱类似梳齿。中红外光在与分子相互作用后，会被光电二极管探测器以0.003 cm-1的光谱分辨率探测出来。总体来说，该装置尺寸非常小，结构非常简单，可以直接放到桌面上。

Diddams与其同事在NIST的单克隆抗体参考蛋白上测试了他们的系统。这种蛋白分子由超过2万个原子组成，可用于评估药物治疗的质量。通过利用频率梳观察分子的吸收光谱，研究团队测量了酰胺键的特征信号。这些酰胺键常被生物化学家用来确定蛋白质的折叠、展开和聚集机制。研究人员还利用该频率梳探测出蛋白质内部的片状结构；此次探测验证了前人提出的研究结果：蛋白质中的化学基团是以平面排列连接。

研究团队认为，他们搭建的频率梳系统可与红外原子力显微镜等其他技术相结合，来创造一种可以确定蛋白质结构的桌面系统，这将可与规模更大的同步加速器设备相媲美。随着研究的推进，他们的技术还可用来在分子振动和旋转中存储信息，这将为量子计算提供新的技术支持。