看散射型近場(chǎng)納米紅外光譜與成像系統(tǒng)助力膠原纖維等生物領(lǐng)域研究

一、膠原纖維研究

    膠原纖維是人體各種器官（如骨、肌肉）中最關(guān)鍵的組成成分之一。膠原纖維擁有復(fù)雜的微納生物結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的有序排列使膠原纖維能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的生理性能，同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的改變會(huì)導(dǎo)致其生理特征的急劇變化。勞損、骨折等常見(jiàn)疾病的發(fā)病機(jī)理就與膠原微納結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。如何觀測(cè)并理解膠原纖維微納尺度的結(jié)構(gòu)變化是治療相關(guān)膠原類(lèi)疾病的關(guān)鍵所在。

    近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所陳佳寧課題組利用散射式近場(chǎng)掃描顯微鏡（IR-neaSCOPE）對(duì)膠原纖維進(jìn)行納米分辨率紅外掃描成像。該研究通過(guò)在組織切片表面近場(chǎng)測(cè)量緊湊排布的膠原纖維簇，對(duì)膠原纖維的納米周期性橫紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化分析，并觀察到膠原纖維發(fā)生的橫紋傾斜現(xiàn)象。該研究借助膠原晶格模型解釋其現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，揭示了膠原纖維內(nèi)部分子間可能存在的滑移位錯(cuò)形變。

    該結(jié)果有助于人們理解膠原結(jié)構(gòu)失序時(shí)膠原纖維可能發(fā)生的納米結(jié)構(gòu)變化，為解讀膠原類(lèi)疾病的發(fā)病機(jī)理提供了新思路。同時(shí)，該工作展示了s-SNOM在生命科學(xué)中對(duì)于生物微納尺度結(jié)構(gòu)研究的廣闊應(yīng)用前景。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在近期的《Nano Research》上。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金，中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃的資助。

二、生物催化（MOF體系）研究

    生物催化轉(zhuǎn)化在生物體中，如多酶催化級(jí)聯(lián)，在不同的細(xì)胞膜區(qū)隔的細(xì)胞器中高效率地進(jìn)行。然而，在自然系統(tǒng)中模擬生物催化級(jí)聯(lián)過(guò)程仍然具有挑戰(zhàn)性。

    近日，華東師范大學(xué)李麗老師課題組報(bào)道了多殼金屬有機(jī)骨架（MOF）可以作為一種層次化的支架，在納米尺度上對(duì)酶進(jìn)行空間組織，以提高級(jí)聯(lián)催化效率。

    研究人員通過(guò)外延逐殼過(guò)生長(zhǎng)的方法將多殼MOF包裹在多酶上，其催化效率是溶液中游離酶的5.8~13.5倍。重要的是，多殼MOF可以作為一個(gè)多空間隔室的納米反應(yīng)器，允許在一個(gè)MOF納米顆粒中物理分隔多個(gè)酶，以便在一個(gè)鍋中進(jìn)行不相容的串聯(lián)生物催化反應(yīng)。研究人員使用納米傅立葉變換紅外光譜(Nano-FTIR)來(lái)解決與多殼MOF中的酶相關(guān)的納米級(jí)振動(dòng)活性的不均一性。多殼MOF能夠根據(jù)特定的串聯(lián)反應(yīng)路線方便地控制多酶的位置，其中載酶1和載酶2的殼沿內(nèi)到外殼的緊密定位可以有效地促進(jìn)質(zhì)量傳遞，從而促進(jìn)高效的串聯(lián)生物催化反應(yīng)。

    這項(xiàng)工作有望為設(shè)計(jì)高效的多酶催化級(jí)聯(lián)反應(yīng)提供新的思路，以鼓勵(lì)其在許多化工和制藥工業(yè)過(guò)程中的應(yīng)用。

三、原位液相活體細(xì)胞研究

    近日，德國(guó)attocube systems AG的工程師Korbinian聯(lián)合德國(guó)慕尼黑大學(xué)Fritz Keilmann課題組報(bào)道了基于散射型納米紅外成像與光譜技術(shù)在液相環(huán)境關(guān)于納米顆粒和活體細(xì)胞的定量研究。納米紅外光譜與成像的液相探測(cè)基于一個(gè)由10 nm厚度的SiN薄膜和金屬液相池組成，通過(guò)掃描探針在針尖形成有效的紅外探測(cè)近場(chǎng)對(duì)吸附（浸潤(rùn)）在SiN另一側(cè)的納米顆�；蚧铙w細(xì)胞進(jìn)行原位液相掃描。

 液相原位納米紅外成像與光譜下的A 549癌細(xì)胞

    這項(xiàng)工作是基于反射式光路的散射型掃描近場(chǎng)顯微鏡（s-SNOM）和nano-FTIR建立的原位液相樣品池，通過(guò)搭配波長(zhǎng)可調(diào)諧的紅外激光器，有希望拓展從近紅外（特別是近紅外II區(qū)）到中紅外（全指紋區(qū)覆蓋）乃至遠(yuǎn)紅外的全紅外波段的液相環(huán)境下材料和細(xì)胞的納米尺度探測(cè)。