拉曼光譜在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

一、研究背景

當(dāng)光與生物組織相互作用時(shí)，發(fā)生反射、吸收、熒光、散射（彈性散射與非彈性散射）等光學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象。當(dāng)入射光子與分子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，光子與分子之間發(fā)生能量交換。不僅光子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，同時(shí)光子轉(zhuǎn)移一部分能量給散射分子，轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿诱駝?dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能量，或者從散射分子吸收一部分能量，導(dǎo)致光子波長／頻率發(fā)生改變。拉曼頻移是表征物質(zhì)分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)特性的一個(gè)物理量，也是利用拉曼光譜進(jìn)行物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)。

拉曼光譜圖中含有豐富的分子指紋信息，可以通過拉曼峰頻移的位置分析物質(zhì)的生化組成特性。通過對(duì)比正常與病變組織的拉曼光譜信息，在如實(shí)反映組織生化組成的基礎(chǔ)上，不但可以用于探討疾病發(fā)生與治療機(jī)制，而且更易實(shí)現(xiàn)臨床重大惡性疾病的早期量化診斷。選擇合適波長的激光用于活體生物組織光譜激發(fā)，對(duì)于臨床光譜分析測(cè)量尤其重要。紫外光照射會(huì)引起組織光化學(xué)損傷，可見光照射會(huì)激發(fā)強(qiáng)烈的組織自體熒光，因此，臨床拉曼光譜分析裝置常使用近紅外光作為激發(fā)光。相比于紫外光與可見光，近紅外光具有更為*的組織穿透性，從而可實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域內(nèi)組織光譜的激發(fā)。而且，低功率近紅外光能產(chǎn)生較少的組織光化學(xué)損傷與自體熒光。

二、材料與設(shè)備

測(cè)試材料來自某醫(yī)院隨機(jī)抽取20例結(jié)石樣品（為保護(hù)患者隱私，不做標(biāo)記），采用Portman1064進(jìn)行測(cè)試。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品圖

圖2 拉曼光譜采集

三、結(jié)石拉曼光譜分析

圖3 14例結(jié)石拉曼光譜

圖4 3例結(jié)石拉曼光譜

圖5 3例結(jié)石拉曼光譜

影響結(jié)石形成及復(fù)發(fā)的因素很多，且其發(fā)病機(jī)制尚不明確，多數(shù)研究表明結(jié)石的形成可能與遺傳基因、性別、年齡、種族、氣候環(huán)境、飲食結(jié)構(gòu)及飲水習(xí)慣等因素相關(guān)。如何更安全有效的清除結(jié)石、尋找結(jié)石的相關(guān)誘發(fā)因素以及盡量延緩結(jié)石的復(fù)發(fā)成為臨床醫(yī)師不斷探索的重要目標(biāo)。采集20例結(jié)石樣品的拉曼光譜，通過與標(biāo)準(zhǔn)譜庫對(duì)比，可知14例（圖3）結(jié)石是草酸鈣，3例（圖4）結(jié)石是磷酸鈣，3例（圖5）結(jié)石是尿酸。說明通過拉曼光譜測(cè)試，可達(dá)到鑒別診斷的目的，為臨床尿液結(jié)晶的篩選、診斷創(chuàng)造出一種新方法。

四、皮膚拉曼光譜分析

圖6皮膚組織拉曼光譜

皮膚是人體最大的器官，位于身體最外層，對(duì)人體有保護(hù)作用，但長期紫外線照射會(huì)導(dǎo)致皮膚癌變。皮膚癌主要包括惡性黑色素瘤和非黑色素皮膚癌，后者主要包括基底細(xì)胞癌和鱗狀細(xì)胞癌。臨床拉曼光譜測(cè)量過程中，手持式光譜探頭垂直于組織／病灶表面接收拉曼信號(hào)，一般而言，每個(gè)可疑病灶測(cè)量１次，但對(duì)于形態(tài)不均勻的病灶，在其內(nèi)部不同位置分別測(cè)量３次。此外，同時(shí)測(cè)量病灶附近５ｃｍ范圍的正常皮膚組織光譜信息作為參考。圖6是我們理化同事自測(cè)的數(shù)據(jù)，拉曼光譜可以提供皮膚的拉曼特征峰信息，能夠從峰位、峰值等光譜特征分析組織的生化組成與結(jié)構(gòu)特征。對(duì)大量拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合一定的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，處理多組拉曼光譜數(shù)據(jù)，更易獲得不同類型生物組織差異化光譜特征。

五、Portman1064便攜式拉曼光譜儀

PR1064是一款便攜式高靈敏度高信噪比制冷的拉曼光譜儀，其內(nèi)部采用InGaAs陣列探測(cè)器，并采用色散型的光學(xué)設(shè)計(jì)，提高了探測(cè)器的靈敏度，讓儀器具備了捕捉微弱拉曼信號(hào)的能力。

相比于785nm、532nm拉曼光譜儀，1064nm對(duì)于組織等生物樣品的破壞性更小，避開了玻璃、生物組織等很多物質(zhì)的熒光發(fā)射區(qū)域，對(duì)于很多被測(cè)物質(zhì)具備低熒光背景優(yōu)勢(shì)。1064nm相對(duì)于可見段的532nm、785nm具備更好的穿透性，可以穿透棕色玻璃瓶、白色塑料包裝以及紙等包裝材料。

產(chǎn)品特點(diǎn)

規(guī)避熒光

透射光柵

高穿透性

深度制冷

高靈敏度

規(guī)格參數(shù)

組配件清單

注：以上規(guī)格為標(biāo)準(zhǔn)配置，可根據(jù)客戶具體需求，提供定制產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

Ball D W Theory of Raman spectroscopy [J].Spectroscopy,2001,16(11)：32-34

Patit C A,Pence I J, Lieber C A,et al.1064 nm dispersive Raman spectroscopy of tissues with strong near-infrared autofluorescence [J].Optics Letters, 2014 , 39(2): 303-306.

• 1064nm便攜式拉曼光譜儀如海光電

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