Флуоресцентная спектроскопия

Флуоресцентная спектроскопия (также известная как фториметрия или спектрофлуорометрия ) представляет собой тип электромагнитной спектроскопии , который анализирует флуоресценцию из образца. Он включает в себя использование луча света, обычно ультрафиолетового света , который возбуждает электроны в молекулах определенных соединений и заставляет их излучать свет; Обычно, но не обязательно, видимый свет . Дополнительная техника - это спектроскопия поглощения . В особом случае флуоресцентной спектроскопии отдельной молекулы, флуктуации интенсивности из испускаемого света измеряются либо из отдельных флуорофоров, либо из пар флуорофоров.
Устройства, которые измеряют флуоресценцию, называются флуорометрами .
Теория
[ редактировать ]Молекулы имеют различные состояния, называемые уровнями энергии . Спектроскопия флуоресценции в первую очередь связана с электронными и вибрационными состояниями. Как правило, изучаемый вид имеет наземное электронное состояние (низкоэнергетическое состояние), представляющее интерес и возбужденное электронное состояние более высокой энергии. В каждом из этих электронных состояний существуют различные вибрационные состояния. [ 1 ]
При флуоресценции вид сначала возбуждается, поглощая фотон , от его наземного электронного состояния до одного из различных колебательных состояний в возбужденном электронном состоянии. Столкновения с другими молекулами приводят к тому, что возбужденная молекула теряет вибрационную энергию, пока не достигнет самого низкого колебательного состояния из возбужденного электронного состояния. Этот процесс часто визуализируется с диаграммой Jablonski . [ 1 ]
Затем молекула снова падает до одного из различных вибрационных уровней наземного электронного состояния, излучая фотон в процессе. [ 1 ] Поскольку молекулы могут превратиться в любой из нескольких вибрационных уровней в основном состоянии, испускаемые фотоны будут иметь разные энергии и, следовательно, частоты. Следовательно, анализируя различные частоты света, излучаемых в флуоресцентной спектроскопии, наряду с их относительной интенсивностью, можно определить структуру различных колебательных уровней.
Для атомных видов процесс похож; Однако, поскольку атомные виды не имеют уровня вибрационной энергии, испускаемые фотоны часто находятся на той же длине волны, что и падающее излучение. Этот процесс повторного эмиссии поглощенного фотона является «резонансной флуоресценцией», и хотя он характерен для атомной флуоресценции, также наблюдается и в молекулярной флуоресценции. [ 2 ]
При типичном измерении флуоресценции (эмиссии) длина волны возбуждения фиксируется, а длина волны обнаружения варьируется, в то время как при измерении флуоресценции возбуждения длина волны обнаружения фиксируется, а длина волны возбуждения варьируется в интересующей области. Карта излучения измеряется путем записи спектров эмиссии в результате диапазона длин волн возбуждения и объединения их всех вместе. Это трехмерный набор данных поверхности: интенсивность излучения в зависимости от длина волн возбуждения и излучения и обычно изображена в виде контурной карты.
Приборы
[ редактировать ]Существуют два общих типа инструментов: фильтровать флуорометры , которые используют фильтры для выделения падающего света и флуоресцентных света и спектрофлуорометров , которые используют дифракционные монохроматоры для выделения падающего света и флуоресцентного света.
Оба типа используют следующую схему: свет из источника возбуждения проходит через фильтр или монохроматор и ударяет в образец. Доля падающего света поглощается образцом, а некоторые из молекул в образце флуорес. Флуоресцентный свет испускается во всех направлениях. Часть этого флуоресцентного света проходит через второй фильтр или монохроматор и достигает детектора, который обычно помещается на 90 ° к пучке падающего света, чтобы минимизировать риск передачи или отраженного падающего света, достигающего детектора.

Различные источники света могут использоваться в качестве источников возбуждения, включая лазеры, светодиоды и лампы; Ксеноновые дуги и лампы ртути в частности. Лазер излучает свет только высокого излучения с очень узким интервалом длины волны, обычно при 0,01 нм, что делает возбуждение монохроматором или фильтрованием ненужным. Недостатком этого метода является то, что длина волны лазера не может быть сильно изменена. Паровая лампа ртути - это линейная лампа, что означает, что она излучает свет вблизи пиковых длин волн. Напротив, ксеноновая дуга имеет непрерывный спектр излучения с почти постоянной интенсивностью в диапазоне от 300 до 800 нм и достаточным излучением для измерений до чуть выше 200 нм.
Фильтры и/или монохроматоры могут использоваться во флуориметрах. Монохроматор передает свет регулируемой длины волны с регулируемой толерантностью. Наиболее распространенный тип монохроматора использует дифракционную решетку, то есть коллимированный свет освещает решетку и выходит с другим углом в зависимости от длины волны. Затем монохроматор можно отрегулировать, чтобы выбрать, какие длины волн для передачи. Для разрешения измерений анизотропии необходимо добавление двух поляризационных фильтров: один после монохроматора или фильтра возбуждения и один перед монохроматором или фильтром излучения.
Как упоминалось ранее, флуоресценция чаще всего измеряется под углом 90 ° по сравнению с светом возбуждения. Эта геометрия используется вместо того, чтобы помещать датчик на линии света возбуждения под углом 180 °, чтобы избежать помех передаваемого света возбуждения. Ни один монохроматор не является идеальным, и он будет передавать некоторый бездомный свет , то есть свет с другими длин волн, чем целевые. Идеальный монохроматор будет передавать только свет в указанном диапазоне и иметь высокую длину, независимую от длины передачи. При измерении под углом 90 ° только свет, разбросанный образцом, вызывает бродячий свет. Это приводит к лучшему соотношению сигнал / шум и снижает предел обнаружения примерно на коэффициент 10000, [ 3 ] По сравнению с геометрией 180 °. Кроме того, флуоресценция также может быть измерена с фронта, которая часто выполняется для мутных или непрозрачных образцов Полем [ 4 ]
Детектор может быть одноканальным или многоканальным. Одноканальный детектор может обнаруживать только интенсивность одной длины волны за раз, в то время как многоканальный одновременно обнаруживает интенсивность всех длин волн, делая излучение монохроматором или фильтрованием ненужным.
Наиболее универсальные флуориметра с двойными монохроматорами и источником непрерывного возбуждения могут регистрировать как спектр возбуждения, так и флуоресцентный спектр. При измерении спектров флуоресценции длина волны света возбуждения сохраняется постоянной, предпочтительно на длине волны высокого поглощения, а монохроматор излучения сканирует спектр. Для измерения спектров возбуждения длина волны, проходящей через фильтр излучения или монохроматор, сохраняется постоянной, а монохроматор возбуждения сканирует. Спектр возбуждения обычно идентичен спектру поглощения, поскольку интенсивность флуоресценции пропорциональна поглощению. [ 5 ]
Анализ данных
[ редактировать ]

При низких концентрациях флуоресценции интенсивность как правило, пропорциональна концентрации флуорофора , .
В отличие от ультрафиолетовой/видимой спектроскопии, «стандарт», независимые спектра, независимые устройства нелегко достичь. Несколько факторов влияют и искажают спектры, и исправления необходимы для достижения «истинного», т.е. независимого от машины, спектры. Различные типы искажений здесь будут классифицированы как связанные либо с прибором, либо с образцом. Во -первых, обсуждается искажение, возникающее из инструмента. В качестве начала интенсивность источника света и характеристики длины волны варьируются со временем во время каждого эксперимента и между каждым экспериментом. Кроме того, ни одна лампа не имеет постоянной интенсивности на всех длин волн. Чтобы исправить это, после монохроматора или фильтра может применяться сплиттер пучка, чтобы направить часть света на контрольный детектор.
Кроме того, эффективность передачи монохроматоров и фильтров должна быть принята во внимание. Это также может измениться со временем. Эффективность передачи монохроматора также варьируется в зависимости от длины волны. Это является причиной того, что необязательный эталонный детектор должен быть размещен после монохроматора или фильтра возбуждения. Процент флуоресценции, полученной детектором, также зависит от системы. Кроме того, квантовая эффективность детектора, то есть процент обнаруженных фотонов, варьируется между различными детекторами, с длиной волны и со временем, поскольку детектор неизбежно ухудшается.
Две другие темы, которые необходимо учитывать, включают оптику, используемую для направления излучения, и средства удержания или содержания материала образца (называемой кюветой или ячейкой). Для большинства измерений ультрафиолетового ультрафиолета и NIR необходимо использование точных кварцевых кювет. В обоих случаях важно выбирать материалы, которые имеют относительно небольшое поглощение в интересующем диапазоне волн. Кварц идеален, потому что он передает от 200 нм 2500 нм; Кварц более высокого уровня может даже передавать до 3500 нм, тогда как поглощенные свойства других материалов могут маскировать флуоресценцию из образца.
Коррекция всех этих инструментальных факторов для получения «стандартного» спектра - это утомительный процесс, который применяется только на практике, когда это строго необходимо. Это тот случай при измерении квантового урожая или при поиске длины волны с самой высокой интенсивностью излучения, например.
Как упоминалось ранее, искажения возникают и из выборки. Следовательно, некоторые аспекты выборки также должны быть приняты во внимание. Во -первых, фотодеакция может уменьшить интенсивность флуоресценции с течением времени. Разброс света также должен быть принят во внимание. Наиболее значимыми типами рассеяния в этом контексте являются рассеяние Рэлея и Рамана. Свет, разбросанный рассеянием Рэлея, имеет такую же длину волны, что и падающий свет, тогда как в рамановском рассеянии рассеянный свет изменяет длину волны, как правило, на более длинные волны. Рамановское рассеяние является результатом виртуального электронного состояния, вызванного светом возбуждения. Из этого виртуального состояния молекулы могут расслабиться на вибрационный уровень, отличный от колебательного основного состояния. [ 7 ] В спектрах флуоресценции это всегда видно при постоянной разнице волновых чисел по сравнению с волновым числом возбуждения, например, пик появляется на волновом числе 3600 см. −1 ниже, чем свет возбуждения в воде.
Другими аспектами, которые следует учитывать, являются эффекты внутреннего фильтра. [ 8 ] [ 9 ] К ним относятся реабсорбция. Реабсорбция происходит потому, что другая молекула или часть макромолекулы поглощаются на длине волны, на которых флуорофор излучает излучение. Если это так, некоторые или все фотоны, испускаемые флуорофором, могут снова поглощаться. Другой эффект внутреннего фильтра возникает из -за высоких концентраций поглощающих молекул, включая флуорофор. Результатом является то, что интенсивность света возбуждения не является постоянной на протяжении всего решения. В результате, лишь небольшой процент света возбуждения достигает флуорофоров, которые видны для системы обнаружения. Эффекты внутреннего фильтра изменяют спектр и интенсивность испускаемого света, и поэтому их следует учитывать при анализе спектра излучения флуоресцентного света. [ 5 ] [ 10 ]
Триптофан флуоресценция
[ редактировать ]Флуоресценция сложенного белка представляет собой смесь флуоресценции из отдельных ароматических остатков. Большая часть внутренних выбросов флуоресценции сложенного белка обусловлена возбуждением остатков триптофана , с некоторыми выбросами из -за тирозина и фенилаланина; Но дисульфидные связи также имеют заметное поглощение в этом диапазоне длины волны. Как правило, триптофан имеет длину волны максимального поглощения 280 нм и пик излучения, который является сольватохромным , в диапазоне ок. От 300 до 350 нм в зависимости от полярности местной среды [ 11 ] Следовательно, флуоресценция белка может использоваться в качестве диагностики конформационного состояния белка. [ 12 ] Кроме того, на флуоресценцию триптофана сильно влияет близость других остатков ( то есть близлежащих протонированных групп, таких как ASP или Glu, может вызвать гашение флуоресценции TRP). Кроме того, возможна перенос энергии между триптофаном и другими флуоресцентными аминокислотами, что повлияет на анализ, особенно в тех случаях, когда используется кислый подход Förster. Кроме того, триптофан является относительно редкой аминокислотой; Многие белки содержат только один или несколько остатков триптофана. Следовательно, флуоресценция триптофана может быть очень чувствительным измерением конформационного состояния отдельных остатков триптофана. Преимущество по сравнению с внешними зондами заключается в том, что сам белок не изменяется. Использование внутренней флуоресценции для изучения конформации белка на практике ограничено случаями с небольшим (или, возможно, только одним) остатками триптофана, поскольку каждый испытывает другую локальную среду, которая приводит к различным спектрам излучения.
Триптофан является важным внутренним флуоресцентом (аминокислот), который может быть использован для оценки природы микроокружения триптофана. При проведении экспериментов с денатуру, поверхностно -активными веществами или другими амфифильными молекулами, микросреда триптофана может измениться. Например, если белок, содержащий один триптофан в его «гидрофобном» ядре, денатурирован с повышением температуры, появится спектр эмиссии с изменением красного цвета. Это связано с воздействием триптофана на водную среду, в отличие от гидрофобного белка. Напротив, добавление поверхностно-активного вещества к белке, который содержит триптофан, который подвергается воздействию водного растворителя, вызовет спектр излучения синего цвета, если триптофан встроен в везикул или мицеллу поверхностно-активного вещества . [ 13 ] Белки, которым не хватает триптофана, могут быть связаны с флуорофором .
При возбуждении флуоресценции при 295 нм спектр излучения триптофана доминирует над более слабым тирозином и фенилаланиновой флуоресценцией.
Приложения
[ редактировать ]Спектроскопия флуоресценции используется, среди прочего, в биохимических, медицинских и химических исследованиях для анализа органических соединений . Также было сообщено о его использовании в дифференциации злокачественных опухолей кожи от доброкачественных.
Методы атомной флуоресцентной спектроскопии (AFS) полезны в других видах анализа/измерения соединения, присутствующего в воздухе или воде, или других средах, таких как CVAF , которые используются для обнаружения тяжелых металлов, таких как ртуть.
Флуоресценция также может быть использована для перенаправления фотонов, см. Флуоресцентный солнечный коллектор .
Кроме того, флуоресцентная спектроскопия может быть адаптирована к микроскопическому уровню с использованием микрофлюориметрии
В аналитической химии детекторы флуоресценции используются с ВЭЖХ .
В области исследований воды флуоресцентная спектроскопия может быть использована для мониторинга качества воды путем обнаружения органических загрязняющих веществ. [ 14 ] Последние достижения в области компьютерных наук и машинного обучения даже позволили обнаружить бактериальное загрязнение воды. [ 15 ]
В биомедицинских исследованиях флуоресцентная спектроскопия используется для оценки эффективности распределения лекарств посредством сшивания флуоресцентных агентов с различными лекарствами. [ 16 ]
Спектроскопия флуоресценции в биофизических исследованиях позволяет людям визуализировать и характеризовать липидные домены в клеточных мембранах. [ 17 ]
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный в Анимация для принципа флуоресценции и ультрафиолетовой абсорбции
- ^ Принципы инструментального анализа Ф. Джеймс Холлер, Дуглас А. Ског и Стэнли Р. Крауч 2006
- ^ Ренделл Д. (1987). Флуоресценция и фосфорценция. Корона
- ^ Эйзингер, Йозеф; Флорес, Хорхе (1979). «Флуорометрия фронтальной жидкости жидких образцов». Аналитическая биохимия . 94 (1): 15–21. doi : 10.1016/0003-2697 (79) 90783-8 . ISSN 0003-2697 . PMID 464277 .
- ^ Jump up to: а беременный Ашутош Шарма; Стивен Г. Шульман (21 мая 1999 г.). Введение в спектроскопию флуоресценции . Уайли. ISBN 978-0-471-11098-9 .
- ^ Мерфи, Кэтлин Р.; Стедмон, Колин А.; Вениг, Филипп; Братан, Расмус (2014). «OpenFluor-онлайн-спектральная библиотека автофлуоресценции органическими соединениями в окружающей среде» (PDF) . Анальный. Методы 6 (3): 658–661. doi : 10.1039/c3ay41935e .
- ^ Gauglitz, G. and Vo-Dinh, T. (2003). Справочник по спектроскопии. Wiley-Vch.
- ^ Кимбалл, Джозеф; Чавес, Хосе; Череза, Лука; Китчнер, Эмма; Nurekeyev, Zhangatay; Доан, Хунг; Szabelski, Mariusz; Borejdo, Джулиан; Грицински, Ignacy; Gryczynski, Zygmunt (2020-06-01). «О происхождении и коррекции для эффектов внутреннего фильтра в флуоресцентной части I: эффект первичного внутреннего фильтра-правильный подход для коррекции поглощения образца» . Методы и применения в флуоресценции . 8 (3): 033002. BIBCODE : 2020MAPFL ... 8C3002K . doi : 10.1088/2050-6120/ab947c . ISSN 2050-6120 . PMID 32428893 . S2CID 218758981 .
- ^ Череза, Лука; Кимбалл, Джозеф; Чавес, Хосе; Китчнер, Эмма; Nurekeyev, Zhangatay; Доан, Хунг; Borejdo, Джулиан; Грицински, Ignacy; Gryczynski, Zygmunt (2021-05-24). «О происхождении и коррекции для эффектов внутреннего фильтра при флуоресценции. Часть II: Эффект вторичного внутреннего фильтра -правильное использование конфигурации передней ликвики для высокопоглощающих и рассеяющих образцов» . Методы и применения в флуоресценции . 9 (3): 035005. Bibcode : 2021mapfl ... 9c5005c . doi : 10.1088/2050-6120/ac0243 . ISSN 2050-6120 . PMID 34032610 . S2CID 235201243 .
- ^ Лакович, младший (1999). Принципы флуоресцентной спектроскопии. Kluwer Academic / Plenum Publishers
- ^ Внутренняя флуоресценция белков и пептидов Архивировал 2010-05-16 на машине Wayback
- ^ Vivian JT, Callis PR (2001). «Механизмы триптофан -флуоресценции сдвига в белках» . Биофиз. Дж . 80 (5): 2093–109. Bibcode : 2001bpj .... 80.2093v . doi : 10.1016/s0006-3495 (01) 76183-8 . PMC 1301402 . PMID 11325713 . Архивировано из оригинала 6 сентября 2008 года.
- ^ Капуто Г.А., Лондон Э. Совокупное влияние аминокислотных замен и гидрофобное несоответствие на трансмембранную стабильность и конформацию гидрофобных альфа-списков. Биохимия. 2003 марта 25; 42 (11): 3275-85.
- ^ Карстея, Эльфрида М.; Бриджмен, Джон; Бейкер, Энди; Рейнольдс, Даррен М. (2016-05-15). «Спектроскопия флуоресценции для мониторинга сточных вод: обзор» (PDF) . Водные исследования . 95 : 205–219. Bibcode : 2016watre..95..205c . doi : 10.1016/j.watres.2016.03.021 . ISSN 0043-1354 . PMID 26999254 . S2CID 205696150 .
- ^ Накар, Амир; Schmilovitch, Ze'ev; Вайзель-Охайон, Далит; Крупицки, Юлия; Борисовер, Михаил; Sela (Saldinger), Shlomo (2020-02-01). «Количественная оценка бактерий в воде с использованием PLS Анализ спектров выбросов флуоресценции и матриц возбуждения». Водные исследования . 169 : 115197. Бибкод : 2020watre.16915197n . doi : 10.1016/j.watres.2019.115197 . ISSN 0043-1354 . PMID 31670087 . S2CID 204967767 .
- ^ Стейли, Бен; Зинди, Эгор; Pluen, Alain (2010-12-25). «Количественная оценка поглощения и распределение богатых аргинином пептидов при терапевтических концентрациях с использованием методов спектроскопии флуоресцентной корреляции и спектроскопии корреляции изображения» . Drug Discovery сегодня . 15 (23–24): 1099–1099. doi : 10.1016/j.drudis.2010.09.402 .
- ^ Hof, M.; Hutterer, R.; Фидлер В., ред. (2005). Спектроскопия флуоресценции в биологии: передовые методы и их применение к мембранам, белкам, ДНК и клеткам . Серия Springer о флуоресценции. Тол. 3. Берлин, Гейдельберг: Спрингер Берлин Хейдельберг. doi : 10.1007/b138383 . ISBN 978-3-540-22338-2 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Fluorophores.org , база данных флуоресцентных красителей
- OpenFluor , сообщество инструменты, поддерживающие хемометрический анализ флуоресценции органического вещества
- База данных флуоресцентных минералов с изображениями, активаторами и спектрами (Fluomin.org)