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飛秒熒光光譜技術在生命科學中的應用

[導讀] 熒光光譜學被廣泛應用于研究生物大分子的結構及功能，特別是蛋白質與水環境、蛋白質與蛋白質之間相互作用的動力學等等。

　　近年來，隨著超快激光技術的發展以及相關光電子設備的升級和更新，尤其是飛秒激光的出現，頻率上轉換技術的時間分辨率達到了飛秒量級，為生物、化學和醫學等領域的研究帶來了新的發展契機。熒光光譜學被廣泛應用于研究生物大分子的結構及功能，特別是蛋白質與水環境、蛋白質與蛋白質之間相互作用的動力學等等。

　　華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室陶占東等研究人員在漢斯《生物物理學》學術期刊上發表的文章中強調，在生命科學領域，包括生物物理和生物化學，將頻率上轉換技術應用于時間分辨熒光光譜探測已經成為研究生物大分子的結構、功能及動力學的重要技術手段。

　　作為一項高時間分辨率的測量技術，非線性光學頻率上轉換技術日益成熟。事實上，頻率上轉換熒光光譜技術的原理并不復雜，但所涉及領域甚廣，包括激光技術、非線性光學技術、泵浦探測技術、光譜測量與分析技術以及蛋白質樣品制備、定點突變技術等等。此外，頻率上轉換熒光光譜實驗系統是龐大而復雜的，只有認真細致地調整和優化系統的各個環節，才能獲取良好的探測效果，這往往需要研究者耗費大量的時間和精力。

　　飛秒頻率上轉換技術的出現，將時間分辨熒光的探測精度提高到了飛秒量級，引起了生命科學領域研究人員的普遍關注。熒光基團(如色氨酸)在極性溶劑或極性環境中的溶劑弛豫、激發態的能量轉移以及其他與熒光發光相關的動力學往往反映了熒光基團所處環境的情況。這些過程大多數都在很短的時間內完成(飛秒至皮秒)，對熒光的影響一般只出現在熒光起始端很窄的時域內，超出了一般的時間分辨熒光技術(如TCSPC)的分辨極限。因此，飛秒分辨頻率上轉換技術常常用于研究超快熒光動力學。

　　文中表示，色氨酸熒光具有較長的壽命、較強的發射峰值、可觀的量子產率和明顯的旋轉各向異性，同時色氨酸的吸收波段很寬，其熒光發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驗中。水是天然的溶劑，幾乎所有的生物大分子，如蛋白質、DNA等，離開水都會失去活性。很多研究小組利用飛秒分辨頻率上轉換熒光光譜系統分別研究了色氨酸在水溶液中的動力學。飛秒分辨蛋白質熒光方面取得了成果。

　　其次，利用飛秒頻率上轉換熒光系統探測蛋白質(帶有熒光探針)的時間分辨熒光，可以獲取蛋白質不同位點上的環境特征。通過對不同位點或不同狀態下的蛋白熒光進行綜合比較，可以研究蛋白質的結構和功能。許多國內外實驗小組已在飛秒分辨蛋白質熒光方面取得了成果。而且，DNA動力學也可以利用頻率上轉換熒光光譜技術來探測，尤其是在頻率上轉換的飛秒時間分辨下，地獲取DNA的超快動力學特征將有助于更進一步地研究DNA的結構及功能。

　　總之，隨著人類對物質世界認知的不斷深入以及各種技術手段的不斷發展成熟，目前已經達到飛秒時間分辨的頻率上轉換熒光光譜技術為生物、化學、醫學等領域的研究提供了有力的和廣闊的發展前景。

[來源：千人智庫]