5月27日,Review of Scientific Instruments 發表了中科院物理研究所軟物質物理重點實驗室翁羽翔研究組的一篇題為A Q-switched Ho:YAG laser assisted nanosecond time-resolved T-jump transient mid-IR absorbance spectroscopy with high sensitivity的儀器研制論文,便是一項磨劍之作。
蛋白質的動態結構信息是理解其生物學功能的基礎。為此國際上發展多種蛋白質動態結構的測量方法,各有千秋。脈沖升溫-納秒時間分辨瞬態紅外光譜便是其中的一種,相比較而言,該方法的特點時具有高的時間分辨率。其中涉及的關鍵設備之一為可調諧連續工作中紅外激光源,用于蛋白質二級結構變化的紅外指紋光譜指認。由于其在軍事用途方面的敏感性,在2009年之前一直屬于對華出口限制物資。
翁羽翔研究組長期致力于脈沖升溫納秒時間分辨紅外光譜技術的發展及其在蛋白質動態結構方面的應用研究。該課題組與大連理工大學于清旭教授開展長期合作,于2005年建立了基于國內一氧化碳氣體中紅外激光技術的寬譜帶脈沖升溫-時間分辨瞬態光譜儀(測量精度為千分之一的吸光度差10-3ΔOD ,Chin. Phys. 2005, 14, 2484),并用于蛋白質動態結構的研究,取得了系列成果(Biophysical Journal, 2007,93, 2756-2766; 2009, 97, 2811-2819; Scientific Reports, 2014, 4,4834)。在前期大量工作的基礎上,該課題組意識到只有將已有設備的測量精度再提高一個數量級,即到達萬分之一的吸光度差(10-4ΔOD)之后才能滿足普適性要求,由此對脈沖升溫光源和一氧化碳氣體紅外激光光源提出更高的要求。
為此該課題組在2008年申請了中科院科研裝備研制項目,提出研制新一代具有國際先進水平的脈沖升溫-納秒時間分辨中紅外吸收差光譜儀;包括研制高穩定連續輸出可調諧一氧化碳中紅外激光探測光源,以及研制新型的脈沖激光加熱光源,即空間模式穩定、輸出能量穩定的納秒調Q的Ho:YAG脈沖近紅外激光光源(2.1微米,與安徽光機所吳先友研究員合作)。該設備對蛋白質細胞色素c的脈沖升溫-時間分辨中紅外光譜測量結果表明,在蛋白質酰胺I'光譜范圍(1600-1700 cm-1)內達到的平均測量精度為2×10-4ΔOD 。該指標目前領先于國際上同類設備。論文第一作者為物理所博士研究生李得勇,署名單位為中科院物理所,安徽光機所和大連理工大學,并申請了國家發明專利。
該工作的意義在于,通過對高性能設備的自主研發,不僅能夠滿足基礎研究的需求,同時還帶動了國內特種激光技術的發展。
此項工作得到了中科院科研裝備研制項目和國家自然科學基金委的資助。
圖例. 脈沖升溫誘導的細胞色素c在重水中溫度由25℃階躍到35℃、溫度跳躍2微秒后在酰胺I'內的瞬態吸收譜。作為比較,實線為35℃和25℃間測得的傅里葉紅外吸收差譜。
