人類樣本中的蛋白質(zhì)可以通過研究引起認(rèn)知障礙的構(gòu)象(形狀和結(jié)構(gòu))變化來檢測一組神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病，如阿爾茨海默氏癥和帕金森癥仰楚。蛋白質(zhì)從正常狀態(tài)(單體)到疾病狀態(tài)(中樞神經(jīng)系統(tǒng)淀粉樣蛋白沉積和纖維形成)形成聚集體隆判，與疾病進(jìn)展相關(guān)犬庇。這些變化可以通過研究酰胺帶的線形和相對吸光度，使用中紅外吸收光譜來診斷和監(jiān)測侨嘀。
硅波導(dǎo)上使用鍺的蛋白質(zhì)聚集體的中紅外吸收光譜
電磁波譜2 ~ 25μm光譜范圍對應(yīng)的MIR區(qū)域與分子振動能重合臭挽。當(dāng)MIR光通過樣品時，分子間鍵通過吸收與基態(tài)和激發(fā)態(tài)之差相同的能量而被激發(fā)到更高的振動態(tài)咬腕。這使得在該區(qū)域使用指紋吸收光譜檢測未知分析物以檢測特定鍵欢峰。傅里葉變換紅外光譜(FTIR)通常用于生物化學(xué)物質(zhì)的分析，以確定分析信息涨共。但是纽帖，由于MIR中吸水性強(qiáng)，通常不能使用長度超過10-20μm的比皿举反，較窄的比皿容易被真實樣品堵塞懊直。利用衰減全反射(ATR)光譜與FTIR相結(jié)合的方法克服了這一問題。然而火鼻，傳統(tǒng)ATR元件中的離散反射次數(shù)受到嚴(yán)重限制室囊，而使用光波導(dǎo)(本質(zhì)上是更薄的ATR元件)大大增加了單位長度的有效反射次數(shù)，從而在單模波導(dǎo)中沿波導(dǎo)表面實現(xiàn)了連續(xù)的倏逝波魁索，顯著提高了器件在給定長度和樣品體積下的靈敏度融撞。MIR倏逝場吸收光譜對大范圍的化合物具有高選擇性，并且比其他傳統(tǒng)技術(shù)需要更少的樣本量粗蔚。目前的微加工技術(shù)使得光學(xué)芯片可以批量生產(chǎn)尝偎，因此成本低廉，并且可以在同一芯片上集成各種光電子和微流體元件支鸡。
蛋白質(zhì)是生命中具有重要功能的生物分子，其聚集是神經(jīng)退行性疾病的病理標(biāo)志趁窃。聚集的構(gòu)象改變導(dǎo)致富含β-薄片的有毒淀粉樣蛋白沉積或纖維形成牧挣，這兩者都與疾病進(jìn)展有關(guān)。蛋白質(zhì)中的MIR吸收主要是由于多肽骨架(也稱為酰胺帶)的振動而發(fā)生的醒陆。酰胺I, II和III波段波長在5-10μm之間瀑构，用作二級蛋白結(jié)構(gòu)的標(biāo)記。酰胺峰可以通過光譜反褶積分析來研究蛋白質(zhì)及其聚集體的結(jié)構(gòu)刨摩。
圖1
采用IQE Silicon Compounds Ltd .的一塊3μm厚的GOS 6英寸晶圓來制作波導(dǎo)寺晌。利用氟化學(xué)在電感耦合等離子體(ICP)中刻蝕20 μ m寬的多模波導(dǎo)。端面采用韌性切割制備澡刹。波導(dǎo)測量使用圖1 a)所示的設(shè)備進(jìn)行呻征。使用量子級聯(lián)激光器(QCL) (Block Engineering Inc.)在1900-800 cm-1(波長5.3 - 12.9μm)范圍內(nèi)可調(diào)諧作為光源和兩個硒化鋅物鏡用于輸入和輸出耦合。在獲取透射光譜之前罢浇，將QCL設(shè)置為12.9μm陆赋，對準(zhǔn)后在紅外相機(jī)(Xenics-Gobi 640)上對波導(dǎo)輸出進(jìn)行成像沐祷，在TM偏振下的輸出強(qiáng)度分布如圖1b所示。模態(tài)強(qiáng)度分布(COMSOL)模擬顯示攒岛，沿x軸和y軸的FWHM分別為10.1μm和2.3μm赖临。采用熱電冷卻型碲化汞鎘(MCT)探測器(VIGO系統(tǒng))記錄采集物鏡的信號。來自MCT探測器的信號被記錄在一臺計算機(jī)上灾锯，該計算機(jī)也對QCL進(jìn)行了調(diào)諧兢榨，并使用軟件包(LaserTune)對光譜進(jìn)行處理。作為一種簡單的紙基流體結(jié)構(gòu)顺饮，用一條濾紙將含水分析物引入波導(dǎo)表面吵聪，并確定倏逝吸收路徑長度。在濾紙上蓋上一層副膜以避免樣品蒸發(fā)领突。已經(jīng)證實暖璧，在波導(dǎo)表面存在濾紙本身不會顯著改變光傳輸。
圖2
在雙蒸餾水(pH = 3)中混合制備900μM BSA (Sigma Aldrich)單體蛋白溶液君旦。將單體蛋白溶液置于埃本多夫管中澎办，在65℃的水浴中保存10 min，形成稱為寡聚物的團(tuán)聚體金砍。為了制備原纖維局蚀，將epppendorf管中的單體溶液在65℃的水浴中保存24小時。對于AFM測量恕稠，將新鮮的蛋白質(zhì)樣品稀釋1/1000琅绅，然后與云母基質(zhì)結(jié)合兩分鐘，然后在雙倍蒸餾水中洗滌4次并使其干燥鹅巍。對于MIR吸收光譜千扶，儲存在埃彭多夫管中的蛋白質(zhì)樣品通過移液管被引入到波導(dǎo)表面。
在進(jìn)行MIR測量之前骆捧，進(jìn)行AFM以確認(rèn)蛋白質(zhì)聚集澎羞。圖2 (a)、(b)和(c)分別顯示了BSA蛋白單體敛苇、低聚物和原纖維的1 μ m x 1 μ m AFM圖像妆绞。從圖像中可以清楚地觀察到，單體聚集在一起形成更大的組裝枫攀，如圖2 (b)所示括饶，稱為低聚物，并形成如圖2 (c)所示的帶狀結(jié)構(gòu)来涨，稱為原纖維图焰。
如圖1所示，在波導(dǎo)表面放置2mm寬蹦掐、100px長的濾紙條楞泼，測量水緩沖液和波導(dǎo)表面的單體驰徊、低聚物和原纖維的BSA吸收光譜。將來自埃彭多夫管的含水緩沖液(水)移液到濾紙的尾部堕阔，使其能夠進(jìn)入波導(dǎo)棍厂，并首先記錄僅含緩沖液的透射光譜作為參考光譜。然后將波導(dǎo)表面清洗干凈超陆，將單體溶液移液在相同寬度的新鮮濾紙上牺弹。然后記錄單體樣品的透射光譜。發(fā)射功率單體樣品的光譜除以緩沖參比光譜的透射功率譜时呀，得到所得的單體吸收光譜张漂。取10個樣本掃描并取平均值，并用10點(diǎn)相鄰平均值對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理谨娜。用同樣的方法測量低聚物和纖維樣品航攒，其吸收光譜如圖3(a)所示。在1650 cm-1趴梢、1540 cm-1和1200-1350 cm-1之間清晰地觀察到酰胺I漠畜、II和III峰。圖3 (b)顯示了取自圖3 (a)的吸收光譜的酰胺I和酰胺II區(qū)域坞靶，以澄清吸收峰隨著聚集向更高的頻率移動渠旁。對于酰胺I峰部凑，單體和低聚物的吸收頻率都在1650 cm-1，而對于原纖維的吸收頻率已經(jīng)轉(zhuǎn)移到1660 cm-1灵莲。對于酰胺II峰垛吗，單體的吸收頻率為1540 cm-1辟拷，低聚物的吸收頻率為1545 cm-1切油，纖維的吸收頻率為1550 cm-1允瞧。
圖3
峰吸收頻率的變化和酰胺I和酰胺II的增加已被觀察到從單體到纖維的形成，并表明在β-片二級結(jié)構(gòu)射众。吸光度的增加可能是由于原纖維比單體大得多碟摆，因此在焦體積中樣品的量增加了。原纖維也不溶于水责球，因此它們可能以固體薄膜的形式沉積在波導(dǎo)表面焦履，從而增加吸光度拓劝。
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