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A. Schwaighofer, C. Akhgar, B. Lendl:
"Broadband laser-based mid-IR spectroscopy for analysis of proteins and monitoring of enzyme activity";
Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 253 (2021), 119563; S. 119563 - 119567.

Die laserbasierte Infrarotspektroskopie (IR) ist eine neue Schlüsseltechnologie für die Analyse von Gelösten und für die Echtzeit-Reaktionsüberwachung in Flüssigkeiten. Größere anwendbare Pfadlängen im Vergleich zur herkömmlichen Goldstandard-Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie (FTIR) ermöglichen robuste Messungen von Analyten in einer stark absorbierenden Matrix wie Wasser. Jüngste Fortschritte in der Laserentwicklung bieten auch eine große zugängliche Spektralabdeckung und überwinden so einen inhärenten Nachteil der laserbasierten IR-Spektroskopie.

In dieser Arbeit vergleichen wir ein kommerziell raumtemperaturbetriebenes Breitband-Außenkavitäten-Quantenkaskadenlaser (EC-QCL)-IR-Spektrometer mit einer Spektralabdeckung von 400 cmNr. 1 gegen die FTIR-Spektroskopie und zeigen ihre Anwendung zur Messung der sekundären Struktur von Proteinen im Wasser und zur Überwachung der lipasekatalysierten Verseifung von Triacetin. In Bezug auf die erhaltene Nachweisgrenze (LOD) ist das laserbasierte Spektrometer gut mit einem forschungstauglichen FTIR-Spektrometer mit einem flüssigstickstoffgekühlten Detektor vergleichbar. In Bezug auf ein routinemäßiges FTIR-Spektrometer, das mit einem raumtemperaturbetriebenen pyroelektrischen Detektor ausgestattet ist, wurde eine 15-fache Erhöhung der LOD im Spektralbereich von 1600-1700 cm erreicht.Nr. 1. Charakteristische spektrale Merkmale im Amid-I- und Amid-II-Bereich von drei repräsentativen Proteinen mit unterschiedlichen Sekundärstrukturen konnten in Konzentrationen von bis zu 0,25 mg ml gemessen werden.Nr. 1. Die enzymatische Hydrolyse von Triacetin durch Lipase wurde überwacht, was den Vorteil einer breiten Spektralabdeckung für die Folgenden komplexer chemischer Reaktionen demonstriert. Die erzielten Ergebnisse in Kombination mit der Portabilität und dem geringen Platzbedarf des eingesetzten Spektrometers eröffnen eine Breite zukünftiger Anwendungen in der Proteinanalyse und industriellen Prozesssteuerung, die durch die FTIR-Spektroskopie nicht ohne wiederkehrende zu flüssigstickstoffgekühlten Detektoren problemlos erfüllt werden können.

Laser-based infrared (IR) spectroscopy is an emerging key technology for the analysis of solutes and for
real-time reaction monitoring in liquids. Larger applicable pathlengths compared to the traditional gold
standard Fourier transform IR (FTIR) spectroscopy enable robust measurements of analytes in a strongly
absorbing matrix such as water. Recent advancements in laser development also provide large accessible
spectral coverage thus overcoming an inherent drawback of laser-based IR spectroscopy.
In this work, we benchmark a commercial room temperature operated broadband external cavity quantum cascade laser (EC-QCL)-IR spectrometer with a spectral coverage of 400 cm 1 against FTIR spec troscopy and showcase its application for measuring the secondary structure of proteins in water, and for
monitoring the lipase-catalyzed saponification of triacetin. Regarding the obtained limit of detection
(LOD), the laser-based spectrometer compared well to a research-grade FTIR spectrometer employing a
liquid nitrogen cooled detector. With respect to a routine FTIR spectrometer equipped with a room tem perature operated pyroelectric detector, a 15-fold increase in LOD was obtained in the spectral range of
1600-1700 cm 1
. Characteristic spectral features in the amide I and amide II region of three representa tive proteins with different secondary structures could be measured at concentrations as low as
0.25 mg mL 1
. Enzymatic hydrolysis of triacetin by lipase was monitored, demonstrating the advantage
of a broad spectral coverage for following complex chemical reactions. The obtained results in combina tion with the portability and small footprint of the employed spectrometer opens a wide range of future
applications in protein analysis and industrial process control, which cannot be readily met by FTIR spec troscopy without recurring to liquid nitrogen cooled detector

10.1016/j.saa.2021.119563

http://dx.doi.org/10.1016/j.saa.2021.119563

https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_295734.pdf