人类样本中的蛋白质可以通过研究引起认知障碍的构象(形状和结构)变化来检测一组神经退行性疾病的发病，如阿尔茨海默氏症和帕金森症。蛋白质从正常状态(单体)到疾病状态(中枢神经系统淀粉样蛋白沉积和纤维形成)形成聚集体，与疾病进展相关。这些变化可以通过研究酰胺带的线形和相对吸光度，使用中红外吸收光谱来诊断和监测。
硅波导上使用锗的蛋白质聚集体的中红外吸收光谱
电磁波谱2 ~ 25µm光谱范围对应的MIR区域与分子振动能重合。当MIR光通过样品时，分子间键通过吸收与基态和激发态之差相同的能量而被激发到更高的振动态。这使得在该区域使用指纹吸收光谱检测未知分析物以检测特定键。傅里叶变换红外光谱(FTIR)通常用于生物化学物质的分析，以确定分析信息。但是，由于MIR中吸水性强，通常不能使用长度超过10-20µm的比皿，较窄的比皿容易被真实样品堵塞。利用衰减全反射(ATR)光谱与FTIR相结合的方法克服了这一问题。然而，传统ATR元件中的离散反射次数受到严重限制，而使用光波导(本质上是更薄的ATR元件)大大增加了单位长度的有效反射次数，从而在单模波导中沿波导表面实现了连续的倏逝波，显着提高了器件在给定长度和样品体积下的灵敏度。MIR倏逝场吸收光谱对大范围的化合物具有高选择性，并且比其他传统技术需要更少的样本量。目前的微加工技术使得光学芯片可以批量生产，因此成本低廉，并且可以在同一芯片上集成各种光电子和微流体元件
蛋白质是生命中具有重要功能的生物分子，其聚集是神经退行性疾病的病理标志。聚集的构象改变导致富含β-薄片的有毒淀粉样蛋白沉积或纤维形成，这两者都与疾病进展有关。蛋白质中的MIR吸收主要是由于多肽骨架(也称为酰胺带)的振动而发生的。酰胺I, II和III波段波长在5-10µm之间，用作二级蛋白结构的标记。酰胺峰可以通过光谱反褶积分析来研究蛋白质及其聚集体的结构。
1.波导制作和表征
采用IQE Silicon Compounds Ltd .的一块3µm厚的GOS 6英寸晶圆来制作波导。利用氟化学在电感耦合等离子体(ICP)中刻蚀20 μ m宽的多模波导。端面采用韧性切割制备。波导测量使用图1 a)所示的设备进行。使用量子级联激光器(QCL) (Block Engineering Inc.)在1900-800 cm-1(波长5.3 - 12.9µm)范围内可调谐作为光源和两个硒化锌物镜用于输入和输出耦合。在获取透射光谱之前，将QCL设置为12.9µm，对准后在红外相机(Xenics-Gobi 640)上对波导输出进行成像，在TM偏振下的输出强度分布如图1b所示。模态强度分布(COMSOL)模拟显示，沿x轴和y轴的FWHM分别为10.1µm和2.3µm。采用热电冷却型碲化汞镉(MCT)探测器(VIGO系统)记录采集物镜的信号。来自MCT探测器的信号被记录在一台计算机上，该计算机也对QCL进行了调谐，并使用软件包(LaserTune)对光谱进行处理。作为一种简单的纸基流体结构，用一条滤纸将含水分析物引入波导表面，并确定倏逝吸收路径长度。在滤纸上盖上一层副膜以避免样品蒸发。已经证实，在波导表面存在滤纸本身不会显著改变光传输。
图1
2.蛋白样品制备
在双蒸馏水(pH = 3)中混合制备900µM BSA (Sigma Aldrich)单体蛋白溶液。将单体蛋白溶液置于埃本多夫管中，在65℃的水浴中保存10 min，形成称为寡聚物的团聚体。为了制备原纤维，将epppendorf管中的单体溶液在65℃的水浴中保存24小时。对于AFM测量，将新鲜的蛋白质样品稀释1/1000，然后与云母基质结合两分钟，然后在双倍蒸馏水中洗涤4次并使其干燥。对于MIR吸收光谱，储存在埃彭多夫管中的蛋白质样品通过移液管被引入到波导表面。
3.结果与讨论
在进行MIR测量之前，进行AFM以确认蛋白质聚集。图2 (a)、(b)和(c)分别显示了BSA蛋白单体、低聚物和原纤维的1 μ m x 1 μ m AFM图像。从图像中可以清楚地观察到，单体聚集在一起形成更大的组装，如图2 (b)所示，称为低聚物，并形成如图2 (c)所示的带状结构，称为原纤维。
图2
如图1所示，在波导表面放置2mm宽、100px长的滤纸条，测量水缓冲液和波导表面的单体、低聚物和原纤维的BSA吸收光谱。将来自埃彭多夫管的含水缓冲液(水)移液到滤纸的尾部，使其能够进入波导，并首先记录仅含缓冲液的透射光谱作为参考光谱。然后将波导表面清洗干净，将单体溶液移液在相同宽度的新鲜滤纸上。然后记录单体样品的透射光谱。发射功率单体样品的光谱除以缓冲参比光谱的透射功率谱，得到所得的单体吸收光谱。取10个样本扫描并取平均值，并用10点相邻平均值对数据进行平滑处理。用同样的方法测量低聚物和纤维样品，其吸收光谱如图3(a)所示。在1650 cm-1、1540 cm-1和1200-1350 cm-1之间清晰地观察到酰胺I、II和III峰。图3 (b)显示了取自图3 (a)的吸收光谱的酰胺I和酰胺II区域，以澄清吸收峰随着聚集向更高的频率移动。对于酰胺I峰，单体和低聚物的吸收频率都在1650 cm-1，而对于原纤维的吸收频率已经转移到1660 cm-1。对于酰胺II峰，单体的吸收频率为1540 cm-1，低聚物的吸收频率为1545 cm-1，纤维的吸收频率为1550 cm-1。
峰吸收频率的变化和酰胺I和酰胺II的增加已被观察到从单体到纤维的形成，并表明在β-片二级结构。吸光度的增加可能是由于原纤维比单体大得多，因此在焦体积中样品的量增加了。原纤维也不溶于水，因此它们可能以固体薄膜的形式沉积在波导表面，从而增加吸光度。
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