研究背景

每位為寶寶準(zhǔn)備母乳的母親都希望了解乳汁的營(yíng)養(yǎng)狀況，尤其是那些住在新生兒監(jiān)護(hù)室的早產(chǎn)兒父母。過(guò)去，要分析母乳里的α?乳白蛋白、乳鐵蛋白等成分，要么需要把樣本送到實(shí)驗(yàn)室做復(fù)雜生化檢測(cè)，要么只能得到總蛋白的大致數(shù)值。有沒(méi)有可能，用一種類似“掃碼”的方式，在床邊就快速知道答案？

一項(xiàng)發(fā)表于《Current Research in Food Science》的研究，利用外腔量子級(jí)聯(lián)激光器（EC?QCL）中紅外光譜技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)人乳及捐贈(zèng)人乳中四種蛋白的同步快速定量。該方法無(wú)需復(fù)雜前處理，單次分析僅需數(shù)分鐘，為母乳庫(kù)的質(zhì)量控制與個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)支持提供了新工具。

研究方法

這篇研究展示了一個(gè)正在接近這一目標(biāo)的方案：用一束特殊的中紅外激光照射母乳。EC?QCL激光器發(fā)出的光在1350–1770?cm?1之間精確調(diào)節(jié)，這個(gè)波段剛好對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)分子骨架中碳氧雙鍵和氮?dú)滏I的振動(dòng)能量。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，不同的蛋白因?yàn)榘被峤M成和折疊方式不同，會(huì)在這個(gè)波段留下各自獨(dú)特的吸收“指紋”——科學(xué)上叫做酰胺I帶和酰胺II帶（圖1）。

 圖1：(A) 2?g·L?1 α?乳白蛋白、乳鐵蛋白和酪蛋白的激光紅外光譜。(B) 不同稀釋度（即 20%、50% 和 80% 人乳）的人乳中分別加入 α?乳白蛋白（0.9?g·L?1）、乳鐵蛋白（1.0?g·L?1）和酪蛋白（1.0?g·L?1）后測(cè)得的激光紅外光譜。

檢測(cè)時(shí)，母乳在比頭發(fā)絲還薄的透射池中流過(guò)，激光穿透樣品后，儀器記錄下每一個(gè)波長(zhǎng)上的吸收強(qiáng)度，得到一條光譜曲線。接下來(lái)，預(yù)先訓(xùn)練好的數(shù)學(xué)模型（偏最小二乘回歸模型）就像一位翻譯官，把這些光譜信息解譯成α?乳白蛋白、乳鐵蛋白、酪蛋白和總蛋白各自的實(shí)際濃度。

成果說(shuō)明

研究驗(yàn)證表明，這種“照一照”得到的數(shù)字，與實(shí)驗(yàn)室里用高效液相色譜或凱氏定氮法做出來(lái)的結(jié)果幾乎一致（圖2）。

 圖2：α?乳白蛋白（A）、乳鐵蛋白（B）、酪蛋白（C）和總蛋白（D）的回歸分析（上）與 Bland?Altman 圖（下），比較參比方法（α?乳白蛋白和乳鐵蛋白采用 HPLC?UV 分析，酪蛋白和總蛋白采用凱氏定氮分析）與 EC?QCL 光譜所得濃度。注：CI，95% 置信區(qū)間；LLA，一致性下限；ULA，一致性上限。

整個(gè)過(guò)程不添加任何化學(xué)試劑，也不需要復(fù)雜的前處理，乳汁樣本測(cè)完還能繼續(xù)使用。單次光譜掃描只需約45秒，加上計(jì)算時(shí)間，幾分鐘就能出結(jié)果。用這個(gè)技術(shù)對(duì)數(shù)百份臨床樣本進(jìn)行測(cè)試，不僅成功描繪了產(chǎn)后六個(gè)月母乳蛋白的自然變化，還精確算出了巴氏消毒讓免疫蛋白損失了多少（圖3、圖4）。

 圖3：早產(chǎn)兒母親（藍(lán)色）與足月兒母親（黑色）母乳在產(chǎn)后前六個(gè)月的 α?乳白蛋白（左上）、乳鐵蛋白（右上）、酪蛋白（左下）和總蛋白（右下）含量。注：CEN 指早產(chǎn)兒達(dá)到全腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)（>150?mL/kg/天）的時(shí)間點(diǎn)；RBW 指足月兒恢復(fù)出生體重的時(shí)間點(diǎn)。紅色叉號(hào)表示均值。，p?<?0.001；*，p?<?0.05，Wilcoxon 秩和檢驗(yàn)。

圖4：（A）配對(duì)生乳（DHM?Pre）與巴氏消毒乳（DHM?Post）樣品基于激光紅外光譜的均值與標(biāo)準(zhǔn)差（每組 N=34）；（B）基于激光紅外光譜的 DHM?Pre 與 DHM?Post 樣品 PLS?DA 得分圖（二階導(dǎo)數(shù) + 均值中心化，2 個(gè)潛變量）；（C）基于 EC?QCL 紅外光譜的 DHM?Pre 與 DHM?Post 樣品交叉驗(yàn)證（CV）預(yù)測(cè)結(jié)果（p<0.01，Wilcoxon 秩和檢驗(yàn)）；（D）基于 EC?QCL 紅外光譜的 PLS 模型所預(yù)測(cè)的 DHM?Pre 與 DHM?Post 樣品中 α?乳白蛋白、乳鐵蛋白、酪蛋白和總蛋白的濃度。注：紅色虛線表示判別閾值；AUROCCV，交叉驗(yàn)證受試者工作特征曲線下面積。

結(jié)論

雖然目前這臺(tái)設(shè)備還主要在實(shí)驗(yàn)室中使用，成本和體積有待進(jìn)一步降低，但EC?QCL中紅外光譜已經(jīng)證明，快速、無(wú)害地“讀取”母乳中多種蛋白質(zhì)的濃度是可行的。未來(lái)，隨著儀器小型化，這種光學(xué)檢測(cè)方法或許能走進(jìn)母乳庫(kù)和醫(yī)院，幫助家長(zhǎng)和醫(yī)護(hù)人員更透明地了解母乳營(yíng)養(yǎng)，真正為早到的小生命把好喂養(yǎng)關(guān)。

海爾欣QSweep系列 寬掃紅外激光源

海爾欣的QSweep寬掃紅外激光源為客戶提供覆蓋更廣、性能更強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的激光解決方案。

• 窄光譜輸出：提供非常窄的光譜輸出，滿足高光譜分辨率的應(yīng)用需要。

• 快速波長(zhǎng)調(diào)諧：在QC芯片的整個(gè)增益帶寬上（數(shù)百cm-1），實(shí)現(xiàn)超10ms的快速波長(zhǎng)調(diào)諧。

• 低損耗元件：使用低損耗元件，使設(shè)備可以在便攜式電池供電的條件下高效運(yùn)作，適合便攜式應(yīng)用。

• 高輸出功率：相較于DFB-QCL，可提供更高的輸出功率，同時(shí)保持較窄的光譜寬度。

• 波長(zhǎng)可調(diào)諧性：覆蓋4-12µm的超寬光譜范圍，為固體和液體樣品分析提供可能。

• 高可靠性：能夠提供高可靠性的激光輸出，適用于需要穩(wěn)定光源的應(yīng)用。

• 室溫工作能力：在室溫下運(yùn)行，無(wú)需額外的冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化和便攜化。

參考文獻(xiàn)：

Ten-Doménech I, Vijayakumar S, Schwaighofer A, et al. Laser-based mid-IR spectroscopy as a rapid analytical technique for the quantification of human milk proteins. Current Research in Food Science, 2026, 13: 101492.