飞秒荧光光谱技术在生命科学中的应用

[导读] 荧光光谱学被广泛应用于研究生物大分子的结构及功能，特别是蛋白质与水环境、蛋白质与蛋白质之间相互作用的动力学等等。

　　近年来，随着超快激光技术的发展以及相关光电子设备的升级和更新，尤其是飞秒激光的出现，频率上转换技术的时间分辨率达到了飞秒量级，为生物、化学和医学等领域的研究带来了新的发展契机。荧光光谱学被广泛应用于研究生物大分子的结构及功能，特别是蛋白质与水环境、蛋白质与蛋白质之间相互作用的动力学等等。

　　华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室陶占东等研究人员在汉斯《生物物理学》学术期刊上发表的文章中强调，在生命科学领域，包括生物物理和生物化学，将频率上转换技术应用于时间分辨荧光光谱探测已经成为研究生物大分子的结构、功能及动力学的重要技术手段。

　　作为一项高时间分辨率的测量技术，非线性光学频率上转换技术日益成熟。事实上，频率上转换荧光光谱技术的原理并不复杂，但所涉及领域甚广，包括激光技术、非线性光学技术、泵浦探测技术、光谱测量与分析技术以及蛋白质样品制备、定点突变技术等等。此外，频率上转换荧光光谱实验系统是庞大而复杂的，只有认真细致地调整和优化系统的各个环节，才能获取良好的探测效果，这往往需要研究者耗费大量的时间和精力。

　　飞秒频率上转换技术的出现，将时间分辨荧光的探测精度提高到了飞秒量级，引起了生命科学领域研究人员的普遍关注。荧光基团(如色氨酸)在极性溶剂或极性环境中的溶剂弛豫、激发态的能量转移以及其他与荧光发光相关的动力学往往反映了荧光基团所处环境的情况。这些过程大多数都在很短的时间内完成(飞秒至皮秒)，对荧光的影响一般只出现在荧光起始端很窄的时域内，超出了一般的时间分辨荧光技术(如TCSPC)的分辨极限。因此，飞秒分辨频率上转换技术常常用于研究超快荧光动力学。

　　文中表示，色氨酸荧光具有较长的寿命、较强的发射峰值、可观的量子产率和明显的旋转各向异性，同时色氨酸的吸收波段很宽，其荧光发射光谱有明显的斯托克斯位移，因此色氨酸及其衍生物常被用在荧光探究性实验中。水是天然的溶剂，几乎所有的生物大分子，如蛋白质、DNA等，离开水都会失去活性。很多研究小组利用飞秒分辨频率上转换荧光光谱系统分别研究了色氨酸在水溶液中的动力学。飞秒分辨蛋白质荧光方面取得了成果。

　　其次，利用飞秒频率上转换荧光系统探测蛋白质(带有荧光探针)的时间分辨荧光，可以获取蛋白质不同位点上的环境特征。通过对不同位点或不同状态下的蛋白荧光进行综合比较，可以研究蛋白质的结构和功能。许多国内外实验小组已在飞秒分辨蛋白质荧光方面取得了成果。而且，DNA动力学也可以利用频率上转换荧光光谱技术来探测，尤其是在频率上转换的飞秒时间分辨下，地获取DNA的超快动力学特征将有助于更进一步地研究DNA的结构及功能。

　　总之，随着人类对物质世界认知的不断深入以及各种技术手段的不断发展成熟，目前已经达到飞秒时间分辨的频率上转换荧光光谱技术为生物、化学、医学等领域的研究提供了有力的和广阔的发展前景。

[来源：千人智库]