哪种技术可用于生物样品的红外成像？探索分子分析的顶级方法

生物样品的红外 (IR) 成像是一种强大的技术，使研究人员能够可视化和分析组织和细胞的分子组成和结构，而无需标签或染色。有多种技术可用于红外成像，每种技术都有自己的优点和应用。其中包括傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱、衰减全反射 (ATR)-FTIR 和高光谱成像。这些方法可以提供详细的化学信息、空间分辨率以及绘制生物样品内分子分布图的能力。技术的选择取决于研究的具体要求，例如分辨率、灵敏度和样品制备限制。

要点解释：

傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱:
- 原则：FTIR 光谱测量样品对红外光的吸收，产生代表样品化学成分分子振动的光谱。
- 应用领域 ：广泛用于分析生物样品的化学成分，如蛋白质、脂质和核酸。 FTIR 可以提供有关蛋白质二级结构和脂质构象的信息。
- 优点：灵敏度高，无损，能够提供详细的化学信息。
- 局限性 ：与其他成像技术相比，空间分辨率有限，并且样品制备可能很复杂。
衰减全反射 (ATR)-FTIR:
- 原则：ATR-FTIR 使用高折射率晶体来内部反射红外光，产生与样品表面相互作用的倏逝波。
- 应用领域 ：该技术对于分析薄膜、表面和小型生物样品特别有用。它经常用于涉及细胞膜、生物膜和组织切片的研究。
- 优点：最少的样品制备、高表面灵敏度以及在原始状态下分析样品的能力。
- 局限性 ：穿透深度有限，通常只有几微米，这限制了其在表面分析中的使用。
高光谱成像:
- 原则：高光谱成像结合了光谱学和成像，可生成样品化学成分的空间图。它捕获图像中每个像素的光谱，从而可以进行详细的化学映射。
- 应用领域 ：该技术非常适合研究异质生物样本，例如组织，其中不同区域可能具有不同的化学成分。它用于癌症研究、组织病理学和药物输送研究。
- 优点：高空间分辨率、绘制分子分布图的能力以及自动分析的潜力。
- 局限性 ：数据采集和分析可能非常耗时，并且该技术需要专门的设备和软件。
样品制备注意事项:
- 组织切片 ：对于红外成像，生物样品通常制备为薄片（通常为 5-20 µm 厚），以允许红外光充分穿透。冷冻切片通常用于保持样品的化学完整性。
- 固定：化学固定可以改变样品的分子组成，因此选择一种能够最大限度地减少这种变化的固定方法非常重要。福尔马林固定很常用，但可能需要仔细优化。
- 安装：样品通常安装在红外透明基材上，例如氟化钙或氟化钡窗口，以促进红外成像。
数据分析与解释:
- 光谱分析 ：分析红外光谱以识别与不同化学基团相关的特定分子振动。例如，酰胺 I 和 II 条带用于研究蛋白质二级结构。
- 多元分析 ：主成分分析 (PCA) 和层次聚类分析 (HCA) 等技术用于根据光谱数据识别模式并对样品进行分类。
- 图像处理 ：处理高光谱成像数据以生成化学图，可以将其与光学图像叠加，以更好地可视化分子分布。
新兴技术:
- 纳米红外光谱 ：该技术将 FTIR 光谱与原子力显微镜 (AFM) 相结合，以实现纳米级空间分辨率。它对于研究单个细胞和亚细胞结构特别有用。
- 基于同步加速器的红外成像 ：同步加速器辐射提供高强度、准直的红外光束，可实现高分辨率成像并增强灵敏度。该技术用于研究具有高空间和光谱分辨率的复杂生物系统。

总之，生物样品的红外成像提供了一系列技术，每种技术都有独特的优势和应用。技术的选择取决于研究的具体要求，例如对高空间分辨率、灵敏度的需要，或在原始状态下分析样品的能力。正确的样品制备和数据分析对于获得准确且有意义的结果至关重要。纳米 FTIR 和基于同步加速器的红外成像等新兴技术正在突破红外成像的界限，为以前所未有的细节水平研究生物系统提供了新的机会。

汇总表：

技术	原则	应用领域	优点	局限性
傅立叶变换红外光谱	测量红外光的吸收以产生分子振动光谱。	蛋白质、脂质、核酸的化学成分分析。	高灵敏度、无损、详细的化学信息。	空间分辨率有限，样品制备复杂。
衰减全反射红外光谱	使用高折射率晶体进行表面红外光交互。	薄膜、细胞膜、组织切片。	最少的准备、高表面灵敏度、自然状态分析。	穿透深度有限（几微米）。
高光谱成像	结合光谱学和成像进行空间化学绘图。	异质样本、癌症研究、药物输送。	高空间分辨率，分子分布图。	耗时的数据分析、专用设备。