光分析在生命科学中的研究进展

浅谈光分析在生命科学中的研究进展1目录前言1荧光分析

4紫外可见光谱法2红外光谱法3结语

521、前言

分析化学的任务就是鉴定一切物质的化学组成，结构和测量有关组分的含量。现今，分析化学已经渗透到各个领域，而作为分析化学中应用广泛的光谱分析也变的越来越重要。众所周知，生命科学是21世纪的中心学科，因此，就其发展简单谈一下光化学分析中的紫外，红外，荧光等技术在生命科学中的研究进展。32、紫外可见光谱法蛋白质对紫外光的主要吸收波长为280nm

核酸的吸收峰在260nm

大部分氨基酸对紫外光的主要吸收波长为230nm

紫外可见的主要应用4

庄晓蕾等[1]利用薄层色谱与紫外分光光度法联用对紫杉醇进行了定量检测，陈冰等[2]利用高效毛细管电泳与紫外吸收检测法联用测定了食品中几种氨基酸的含量。

紫外与其他仪器联用方面53、红外光谱法

红外光谱可进行组织，细胞，蛋白质二级结构的定量分析与蛋白质构象变化的研究，Surewicz等提出的蛋白质二级结构的指认标准见表1[3]。6波数(cm-1)二级结构1650～1658α-螺旋1620～1640β结构1675β结构1640～1648无序结构1665，1670，1683，1688，1694转角1670～1695有时不确认表171能在分子水平上直接了解所研究分子或体系的结构，得到基因生物功能信息，新化学键的形成及类型，以及环境对生物样品的影响2红外光谱样品三态均可，用量少，不破坏样品结构，即可研究样品的表面结构，又可研究样品的整体结构3经过计算机数据处理，水的吸收峰从样品谱中扣除，重叠的峰经过傅立叶去卷积可分开（傅立叶去卷积技术是从重叠谱带中获取隐含信息(结构，含量)的有效方法）。优点傅里叶变换红外光谱仪（FTIRspectrometry）83.1核酸的FTIR分析

核酸是一种线性多聚体，基本结构单元是核苷酸。核苷酸由碱基、戊糖和磷酸三部分构成的。可以应用红外光谱法跟踪DNA右手螺旋和左手螺旋之间的结构转变；研究DNA和RNA的金属毒物加合物，并指认反映这些核酸中结构、构像变化的红外光谱的变化[4]。9

核酸分子中磷酸二酯基团(PO2-)的对称伸缩振动谱带Vs，PO2-位于1080cm-1附近，而其反对称伸缩振动谱带Vas，PO2-位于1240cm-1附近。细胞中核酸含量的增加可导致该谱带强度的增加。但是磷酸化蛋白的贡献也不容忽视，磷酸化蛋白使得磷酸化氨基酸在细胞中含量显著增加，从而导致该谱带发生变化[5]。

103.2蛋白质的FTIR分析

红外技术可以定量分析细胞膜蛋白二级结构的变化及应用偏振FTIR技术测定膜蛋白不同二级结构在生物膜脂双层中定向的改变。但是蛋白质的红外光谱随着二级结构、蛋白质的水合状态、溶剂的离子强度而变化。11蛋白质的δs(CH3)和δas(CH3)分别在1400cm-1和1450cm-1，1460cm-1为脂、蛋白质、核酸的δCH2；蛋白质的酰胺Ⅱ带和酰胺Ⅰ带主要分布在1539cm-1和1655cm-1处。12β-转角无规盘曲133.3脂类的FTIR分析

应用红外光谱可以解决的问题是：膜磷脂分子构型、构象、结构的变化、蛋白在膜磷脂构型、构象变化中的作用，靠近蛋白处的脂的物理状态，是否膜蛋白与脂相互作用时对脂的化学结构或物理状态有特定的选择性，它是否控制膜上酶的功能等[5]。

14根据细胞和组织的组成特点、生物大分子的特征吸收峰，将人体组织和细胞的红外光谱吸收频率及主要振动方式列于下表[15,16]。

153.4肿瘤的FTIR分析

癌细胞的基本生物化学特征是肿瘤的红外光谱分析基础。与正常组织的FTIR相比，肿瘤组织FTIR在谱型、吸收频率、峰强度等谱学参数方面存在着显著的差异。这些差异性提示：癌变细胞和组织中核酸相对含量增加，糖原或胶原的相对含量下降，核酸分子中磷酸二酯基团的氢键结合力增强，脂质中亚甲基链变得更无序[6]。

16国外Malins等人[7,8]研究了人体乳腺癌的病原学发现，在潜在的致癌基因中，羟基诱导DNA碱基损伤与乳腺癌的发生有关。致癌过程被认为是多步过程，常发生在一系列细胞受到有害毒物的慢性损伤，化学物种的有毒浓度能够引起伴随着DNA碱基结构的变化所产生的相应的效力。但是，红外光谱法用于癌变细胞的鉴别及病程进展的诊断还处于数据积累阶段，尚无完整的谱库可供检索。174、荧光分析4.1荧光标记法

荧光分析具有很高的灵敏度和选择性，激光荧光分析可以接近或达到检测灵敏度的极限—单原子或单分子[9]。利用荧光探针可测定RNA和DNA，还可以区分不同构象的核酸，如区分线状DNA，环状DNA及超级线团DNA。荧光分析还是研究DNA碱基损伤修复以及与有关药物的化学反应活性部位的理想工具[10]。184.2量子点

在生命科学领域，除了化学标记试剂外，量子点同样也成为一个标记热点。量子点以下这些优势等等使得它的使用越来越广泛。19204.2.1标记DNA分子方面WuSM等[11]将巯基化的单链DNA与量子点结合，建立了一种量子点标记DNA的荧光探针，这种荧光探针具有较高的分散性，生物活性和杂交特异性，之后应用这一荧光探针，通过荧光素原位杂交技术对大肠埃希菌pUC18质粒上的多克隆位点序列进行了研究，从而可以在第一时间内对大肠埃希菌进行跟踪观察。

214.2.2生物芯片研究方面

由于荧光探针一次通常只能将一种或几种标记了荧光探针的蛋白质与芯片作用，很难实现多种蛋白质的一次性分析和研究。但是使用量子点荧光标记，就可以将想要研究的各种蛋白质用一系列不同大小、不同材料、光谱特性各不相同的量子点或者量子点微球进行标记，更重要的是可以用同一波长的光激发，从而可以同时检测所有标记的蛋白质，极大地提高了工作效率，使现有的生物芯片方法的效率大大改善，这对进行基因组学和蛋白质组学的研究也具有一定的借鉴意义[12]。224.2.3肿瘤医学方面

WuX等[13]成功地用荧光免疫标记法标记了细胞，证明量子点标记抗体能够特异地识别亚细胞水平的分子靶点。此外，他们还对量子点标记物的荧光强度与有机染料进行了对比，在相同的激发光强度下，量子点的荧光强度是有机染料的4倍，而背景信号强度则相似，表明量子点标记物具有更好的信噪比。23但是目前仍然存在一些问题，如量子点在体内的降解机制还不清楚，虽然很多研究表明量子点在短期内是稳定的，有合适外壳保护的量子点不会引起组织急性损伤，但如果时间长了(如数年)，其核中的有毒Cd2+等重金属离子是否会在体内缓慢释放还不清楚，因此，量子点在用于临床之前，还有待进一步的研究。244.2.4细胞与活体成像方面

生物连接的量子点已被应用到DNA杂交、免疫分析及受体介导的细胞内吞作用和荧光成像，并作为荧光标记应用到蛋白组研究及活体中细胞成像。量子点具有很好的光稳定性，可以在较长时间内实现对细胞内反应过程的实时监视和追踪。

25例如，Dubertret等[14]用磷脂嵌段共聚物囊泡包覆量子点制备得到量子点-囊泡材料。在被注入量子点的细胞子代胚胎发育形成分裂球的发展过程中，量子点仍类似地限制在注入细胞的子代中。实验结果同时还表明所制备的量子点-囊泡材料几乎不存在毒性，胚胎能正常发育，从而可以跟踪观察细胞的分裂过程和分辨胚胎发育过程中的世系关系。265、结语

光分析方法在探讨生命过程、揭示遗传奥秘等生命科学研究中发挥了重要作用。正是生命科学的发展需要才使得越来越多的分析手段在向前进步，从而给予生命科学更具有依据性的支撑。随着科技的进步，未来光分析的一些方法一定会越来越完善，成为分析化学中不可或缺的手段，进而成为研究生命科学的有力工具。27参考文献[1]庄晓蕾,于树宏,王人为,等.TLC-紫外分光光度法定量检测紫杉醇[J].生物技术,2001,11(1):45-47.[2]陈冰,李小戈,何萍,等.高效毛细管电泳-间接紫外吸收检测法测定食品中的氨基酸[J].色谱,2004,22(1):74-76.[3]周筠酶.蛋白质的红外光谱.见:吴谨光,主编.近代傅立叶变换红外光谱技术及应用[M].北京:科学技术文献出版社,1994,193-212.[4]杨姣兰,陈冬青.红外光谱分析技术在环境污染与生命科学领域的具体应用[J].中华预防医学杂志,2002,36(4):280-282.[5]霍红,王幸福,车迅,等.乳腺癌组织中蛋白质与核酸分子氢键特征的研究[J].光谱学与光谱分析,2001,21(5):614-616.[6]谷志远.现代医学分子生物学[M].北京:人民军医出版社,1998.[7]MALINSDC,HOLMESEH,POLISSARNL,etal.Theetiologyofbreastcancer[J].Cancer,1993,11:3036-3043.[8]MALINSDC,POLISSARNL,NISHIKIDAK,etal.Theetiologyandpredictionofbreastcancer[J].Cancer,1995,75:503-517..28[9]W.E.Moerneretal.AnalChem,61,1217A(1989).[10]周雅琴,郭波,等.北京大学学报,1994,29(1),125.[11]WuSM,ZhaoX,ZhangZL,etal.Quantum-dot-labeledDNAprobesforfluorescenceinsituhybridization(FISH)inthemicroorganismEscherichiacoli[J].ChemPhysChem,2006,7(5):1062-1067.[12]秦大明,柏亚铎,赖平安,等.量子点在生命科学中的应用及发展趋势[J].动物医学进展,2007,28(6):76-82.[13]WuX,LiuH,LiuJ,etal.ImmunofluorescentlabelingofcancermarkerHer2andothercellulartargetswithsemiconductorquantumdots[J].NatureBiotechnology,2003,21(1):41-46.