ATR-FTIR在生物医学相关方面的应用展望

ATR-FTIR在生物医学相关方面的应用展望傅里叶变换衰减全反射红外光谱法(ATR-FTIR)是分析物质表层成分结构信息的一种技术。它的应用极大地简化了一些特殊样品的测试，使微区成分的分析变得方便而快捷，检测灵敏度可达10-9g数量级。相比于常规透射式FTIR，ATR-FTIR可以总结出以下几个方面的特点和优势：（1）制样简单，非破坏性，能够保持样品原貌进行测定。而常用的透射光谱方法需要对样品进行研磨或挤压可能改变样品的微观状态。（2）可以实现原位、实时、无损测量。（3）红外辐射通过穿透样品与样品发生相互作用而产生吸收，因此ATR谱具有透射吸收谱的特性和形状，这一特性使它便于与透射谱比较。但由于不同波数区间ATR技术灵敏度不同，因此ATR谱吸收峰相对强度与透射谱相比较并不完全一致。（4）由于ATR方法中，红外穿透深度随几个参数变化，因此可以调整它们，由表及里来检测垂直于样品表面的剖面内不同深度处的状态。（5）ATR光谱法是一种表面取样技术，所获得的主要是样品表面层的光谱信息，因此尤其适合观测样品表面的变化。比如将作为比较的样品放在参比光路中，待测样品置于样品光路中，调节两光路，使样品处于同样条件下，由这种配置所给出的两红外光谱的比对结果，能反映出待测样品表面的各种微小变化。（6）IR辐射的电场矢量在介质界面上三个正交方向上的分量数值是不同的，它们与光线入射角和偏振方向有关。基于光的电矢量方向与振动偶极跃迁距方向相同时才能产生红外吸收的原理，利用在不同入射角或偏振方向时测量ATR谱，根据谱带强度变化可以推测出与谱带有关的跃迁距在ATR晶体基板上的平均取向，由相应结构关系进一步得到化学基团的平均取向。由于衰减全反射的上述特点，极大地扩大了红外光谱技术的应用范围，使许多采用透射红外光谱技术无法制样，或者样品制做过程十分复杂、难度大、而效果又不理想的实验成为可能，采用ATR-FTIR可以获得常规的透射红外光谱所不能得到的检测效果。当然它也同样存在与其他红外光谱一样的一些不足，比如定量分析不够好，不适用于痕量组分的分析；是一种间接分析技术，方法所用的校正模型依赖于标准方法建立的样品数据库的精确度和适用性。根据以上ATR-FTIR成像的优势以及一些不足，通过查阅一些文献资料，笔者认为可以在以下一些化学生物学相关的方面有进一步的发展和应用。1．反应动力学及机理相关的研究ATR-FTIR的一大优点就是它可以原位测定、实时跟踪，这对某些物质的物理或化学变化动力学过程及机理的研究非常有利。有研究者用ATR-FTIR光谱仪实时在线跟踪单体浓度的变化，进行异丁烯聚合反应动力学研究。还有研究者用ATRFTIR光谱原位跟踪测量溶液的过饱和度、溶解度和亚稳态，结果表明该法可行并具有较高的准确度和精确度。此外，也有不少研究者利用ATR-FTIR实时原位研究光诱导非均相氧化反应，这些研究都表明ATR-FTIR对表面吸附分子的分析非常灵敏，为机理研究提供强有力的工具。2．高分子材料方面的研究ATR可克服传统透射法无法制样，或者样品制备过程十分复杂、难度大、而效果又不理想等困难，在塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂等高分子材料的结构分析上已有广泛应用。有研究者用ATR-FTIR对两种表面改性的耐药性能良好的医用橡胶样品进行了研究，比较改性前后橡胶表面的红外谱图，得出两种样品表面层和体相组成完全不同。改性前表面层为氟化聚合物，C与F的连接主要以-CF2-和-CFH-为主，体相为丁基橡胶；改性后样品表面层氟的含量高于未改性样品表面，且以-CF2-为主。为橡胶表面改性的研究提供了有利手段。另有研究者用FTIR-ATR分析三种不同类型复合材料成分，探讨了FTIR-ATR技术进行定性分析中的问题，并运用扫描电镜和光电子能谱方法对结果进行了确证，实验表明FTIR-ATR技术在复合材料表层和夹层中高分子材料成分的分析应用中有明显的优势，简化了繁杂的分离纯化样品工作，方法简单、易于操作。3．界面研究ATR光谱法是一种表面取样技术，所获得的主要是样品表面层的光谱信息。采用透射法时，在基体中的光程与在涂层中的光程相比是相当长的，以致涂层的光谱难以辨认；而在ATR光谱中，光程在涂层与基体之间的分布极为平均，所以由涂层产生的吸收带很明显。对于可分布在大面积ATR晶体上的微量样品，ATR光谱法已成为一种极为有效的方法。ATR-FTIR可用于表面活性剂吸附的测试研究，其主要优点在于它能够同时原位监视多种物质的吸附，分辨率可达0.1-2s。这是其他方法如反射测定法和表面等离子体共振所难以达到的。有研究者研究比较了与有机膜层/金属粘接界面相关的表征方法，结果表明：ATR-FTIR用以分析高聚物表面结构、表面吸附、聚合物表面取向，对研究金属表面涂层分子取向、金属表面化学反应比较有效。4．生物大分子的研究及医疗诊断与透射式红外类似，ATR-FTIR也可用于生物大分子的研究，尤其适合某些膜蛋白的研究，只需将膜蛋白固放在ATR棱镜上，在灌注不同缓冲液的过程中记录红外线的改变。这种技术已被用来研究在一系列酶体系里的配体结合、还原反应及中间产物形成等过程中伴随的结构改变。人体各种组织和细胞都是由蛋白质、核酸、脂类等生物分子组成，每种物质都有其特征的红外谱带。正常组织与癌变组织的各种生物分子构型、构象以及成分构成比例均存在差异，借此可利用ATR-FTIR进行鉴别。目前临床诊断肿瘤的方法主要有影像方法，如MRI、CT、射线透视以及组织学诊断方法和各种生化检验方法等。但在手术过程中对肿瘤性质的确定以及手术切除范围的判定，上述各种物理、生化诊断方法等目前都无法应用，唯一的判断依据是冰冻切片的检测结果，但是此方法诊断时间较长。因此，肿瘤临床手术迫切需要一种快速、准确、实时，最好能够原位在体检测肿瘤组织的新方法。红外光谱方法可以从分子水平反映肿瘤组织和正常组织的差别，可望发展成为一种检测肿瘤组织的灵敏方法。红外线短时间照射对患者无痛苦、无伤害，相对于MRI和CT其成本低廉，检测简便、快速、准确率高。虽然从体表检测皮肤的红外光谱来诊断皮下腺体的机理尚待深入研究，但是以上初步研究结果表明该方法可望发展成为无创伤早期诊断肿瘤的新方法，具有重要的临床实用意义和广阔的发展前景。总之，由于ATR-FTIR自身的这些独特优势，其必将在生物医学以及其他许多领域显示出广阔的应用前景。