【摘要】 通过傅里叶变换红外光谱研究了不同种类的细胞，包括血细胞、组织样本以及细胞培养物。

傅里叶变换红外（FTIR）光谱具有无损和无标记的特点，在过去几十年中在生物和生物医学应用方面取得了长足的进步。体内疾病诊断是该研究领域最有前途的应用之一。由于生物标本通常具有复杂的成分和层次结构，因此非常需要从体内临床样本中提取可靠的分子信息，从而获得有效的诊断，从而在多个生物学水平上进行全面的光谱视图。已经研究了广泛的生物标本，包括体液[1]、细胞[2, 3]和组织。其中，细胞是生物体的最小功能单元和组成部分，因此特别令人感兴趣。

 

图1 测量每位患者的三种血液制剂的光谱，并进行四次重复处理，直到去除异常值并取平均值。计算一阶导数和二阶导数，并将其连接起来，形成患者生化血液状态的代表性复杂谱。[1]

 

图2 福尔马林固定的2245R细胞在氟化钙底物上取样区域的显微照片。[2]

 

图3 光学底物对哺乳动物单个细胞微红外光谱分析的影响。[3]

 

通过傅里叶变换红外光谱研究了不同种类的细胞，包括血细胞、组织样本以及细胞培养物。研究了固定细胞或活细胞，揭示了细胞的基本组成，如脂质、蛋白质、DNA和RNA。然而，光谱解释，特别是在指纹区域，有些令人困惑，因为生物大分子的吸收峰通常具有广泛的分布，并且不同的贡献彼此之间高度重叠。具有完全不同生物功能的不同细胞的FTIR光谱可能看起来非常相似。化学计量学已被广泛用于数据分析。瞬态分析也提供了一种获取有用信息的策略。

 

在这方面，通过监测活细胞活动的时间序列来揭示广泛重叠的IR峰的细微变化将有很大帮助。衰减全反射（ATR）FTIR已被用于监测治疗细胞的瞬态。ATR FTIR的优点是水的干扰最小，并为细胞培养和处理提供了开放的空间。ATR模式下的信号由界面附近的样品产生，因为倏逝波以约1-3μm的速度呈指数衰减。当对整个细胞的信息感兴趣时，使用FTIR光谱的透射模式。

 

然而，活细胞的样品制备在透射模式下要严格得多。例如，活细胞悬浮液通常被夹在薄层（6–12μm）中，以避免从其水环境中强烈吸收。由于在这样的空间中，由于传质条件有限，因此完全维持细胞活动是非常有可能的。微流控培养箱为少量细胞或单个细胞提供了一种解决方案，以精确限制细胞层厚度，并具有促进维持生活条件的优点，有时易于刺激细胞。使用透镜可以对微流控设备中的活细胞进行高质量的FTIR光谱显微成像，以消除像差。

 

在另一项研究中，在微流控培养箱中，使用基于同步加速器的FTIR在透射模式下跟踪活细胞中蛋白质结构的变化18小时。尽管有这些发展和微流控培养箱的众多优点，但薄至几微米的层中固有的传质限制尚未得到很好的解决。如果对溶液变化有快速反应，或者在某些情况下涉及更长的细胞培养时间，最好在正常条件下培养细胞，然后暂时准备用于 FTIR 检测的细胞层。

 

Hu等人[4]开发了一种简单的 FTIR 光谱方案，用于半原位检查伴随细胞活动的活细胞的分子变化，例如细胞体积变化（以分钟为单位）和细胞生长（以天为单位），在传输模式下的生活条件下。引入了一个 O 形圈来限制CaF上细胞的生长区域2窗口，以便获得良好的细胞样品。在CaF上生长的细胞2窗口可以长时间培养，必要时可以方便地处理。然后使用商业可拆卸液体装置将细胞培养层限制在 6 μm 的厚度，并准备好在透射模式下检测细胞。

 

[1]. Ollesch, J.;  Drees, S. L.;  Heise, H. M.;  Behrens, T.;  Brüning, T.; Gerwert, K., FTIR spectroscopy of biofluids revisited: an automated approach to spectral biomarker identification. Analyst 2013, 138 (14), 4092-4102.

[2]. Hughes, C.;  Henderson, A.;  Kansiz, M.;  Dorling, K. M.;  Jimenez-Hernandez, M.;  Brown, M. D.;  Clarke, N. W.; Gardner, P., Enhanced FTIR bench-top imaging of single biological cells. Analyst 2015, 140 (7), 2080-2085.

[3]. Wehbe, K.;  Filik, J.;  Frogley, M. D.; Cinque, G., The effect of optical substrates on micro-FTIR analysis of single mammalian cells. Anal. Bioanal.Chem. 2013, 405 (4), 1311-1324.

[4]. Hu, R.;  Zong, C.;  Lin, L.-x.;  Wei, T.;  Cheng, Q.;  Jiang, Y.-x.;  Lin, C.-j.;  Ren, B.; Tian, Z.-q., Facile Chemical Analysis of Live Cell Activities by Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy in the Transmission Mode. Vib. Spectrosc. 2020, 109, 103068.

 

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