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Nature Communications 13권, 기사 번호: 4753(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

중적외선 분광법은 기체 또는 액체 상태의 분자를 탐색하기 위한 민감하고 선택적인 기술입니다. 약물 생산과 같은 생물의학 응용 분야에서 화학 반응을 조사하는 것이 최근 특별한 관심을 받고 있습니다. 그러나 액체의 동적 프로세스를 모니터링하는 것은 일반적으로 부피가 큰 시스템으로 제한되므로 시간이 많이 걸리는 오프라인 분석이 필요합니다. 이 연구에서는 액체 용액의 분자 역학을 온라인으로 측정하기 위한 차세대 완전 통합형 견고한 칩 규모 센서를 보여줍니다. 손가락 끝 크기의 장치는 양자 캐스케이드 기술을 활용하여 이미터, 감지 섹션 및 감지기를 단일 칩에 결합합니다. 이를 통해 현장 구성에서 마이크로리터 양의 분석물질만 프로빙하는 실시간 측정이 가능합니다. 우리는 중수에서 모델 단백질 소 혈청 알부민의 온도에 따른 형태 변화를 분석하여 시간 분해 장치 작동을 보여줍니다. 정량적 측정은 센서 선형성, 0.075 mg ml-1에서 92 mg ml-1까지 확장되는 광범위한 농도 범위 및 최첨단 대용량 및 오프라인 기준 시스템보다 55배 더 높은 흡광도 측면에서 탁월한 성능 특성을 나타냅니다. .

센서는 의료 진단1,2,3, 환경 감지 및 기후 연구4,5부터 스펙트럼 이미징6 및 보안 애플리케이션7에 이르기까지 셀 수 없이 많은 수준으로 우리 일상 생활에 들어왔습니다. 잠재적으로 위험한 화학 물질 등 모든 종류의 관련 물질을 감지, 분석 및 반응합니다8. 중적외선(mid-IR) 기체상 분광법은 현재 양자 캐스케이드(QC) 기술9,10,11을 기반으로 한 감지 응용 분야에 잘 활용되고 있지만 액체 감지 기술은 아직 초기 단계입니다12,13,14. 여기에는 훨씬 더 높은 밀도의 액체 매질에서 매우 넓은 흡수 밴드(>10–50 cm−1)를 다루려는 시도가 포함됩니다. 분자의 화학 반응이나 형태 변화를 조사하면서 (i) 매우 낮은(ppb~ppt) 농도 수준 또는 (ii) 빠르게 변화하는 농도에서 표적 분석물을 검출하는 경우 이는 훨씬 더 어려운 작업이 됩니다. 액체상의 동적 프로세스를 모니터링하는 센서의 바람직한 특성에는 빠른 응답 시간, 높은 감도 및 특이성뿐만 아니라 마이크로리터 샘플 크기의 넓은 동적 농도 범위를 분석하는 기능이 포함됩니다.

결과적으로, 중적외선 스펙트럼 범위(~500-1700cm-118,19)에서 기본 분자 흡수의 스펙트럼 지문 영역, 특히 단백질 아미드 영역을 표적으로 삼는 높은 센서 특이성이 매우 유익합니다. 단백질 분석의 경우 I 밴드(~1600~1700cm−1)입니다20.

센서의 감도는 노이즈 성능과 교정선의 기울기에 따라 달라집니다. Beer-Lambert 법칙을 기반으로 한 분광 기술에서는 샘플 내 빛의 유효 상호 작용 길이를 최대화하여 감도를 조정할 수 있습니다. 그러나 수용액의 일반적인 중간 IR 흡수 길이 값은 기존 기술에 대해 낮은 마이크로미터 규모에 있으며 종종 부피가 큰 장치를 사용합니다9,14,21. 결과적으로 QC 레이저(QCL)와 같은 고출력 광원과 QC 검출기(QCD)와 같은 고성능 검출기는 개선에 유리한 도구입니다. 이를 통해 중적외선 액체상 분광학의 실제 응용 분야를 다룰 수 있으며, 몇 마이크로미터를 훨씬 넘는 샘플 필름 두께를 조사할 수 있으므로 단순화되고 보다 강력한 샘플 처리가 가능합니다8,13,22.

문헌의 첫 번째 실험에서 이미 언급된 센서 특이성 및 감도와는 달리, 우리는 두 가지 추가 중요한 기능에 대한 상당한 진전을 보여주는 개념을 보여주고 싶습니다.

(i) 화학 반응24 또는 형태 변화, 즉 분자 3차원 구조의 구조적 변화13에서 발견되는 동적 과정은 적절한 조사를 위해 높은 시간적 분해능으로 분석해야 하는 중요한 특성을 드러냅니다. 라벨 없는 실시간 측정을 위한 현장 센서는 이러한 분석물질 변화를 모니터링하는 데 이상적인 도구로, 시간 소모적인 오프라인 분석을 완전히 방지합니다.