拉曼光譜在生物醫(yī)學中的應用

一,、研究背景

當光與生物組織相互作用時，發(fā)生反射,、吸收,、熒光、散射（彈性散射與非彈性散射）等光學效應和現(xiàn)象,。當入射光子與分子發(fā)生非彈性碰撞時,，光子與分子之間發(fā)生能量交換,。不僅光子運動方向發(fā)生改變,，同時光子轉(zhuǎn)移一部分能量給散射分子,，轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿诱駝踊蜣D(zhuǎn)動能量，或者從散射分子吸收一部分能量,，導致光子波長／頻率發(fā)生改變,。拉曼頻移是表征物質(zhì)分子振動、轉(zhuǎn)動能級特性的一個物理量,，也是利用拉曼光譜進行物質(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,。通過對比正常與病變組織的拉曼光譜信息,，在如實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)生與治療機制,，而且更易實現(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)，對于臨床光譜分析測量尤其重要,。紫外光照射會引起組織光化學損傷,，可見光照射會激發(fā)強烈的組織自體熒光，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損傷與自體熒光,。

二,、材料與設(shè)備

測試材料來自某醫(yī)院隨機抽取20例結(jié)石樣品（為保護患者隱私，不做標記）,，采用Portman1064進行測試,。

圖1 實驗樣品圖

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)石形成及復發(fā)的因素很多,，且其發(fā)病機制尚不明確,，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)石的復發(fā)成為臨床醫(yī)師不斷探索的重要目標,。采集20例結(jié)石樣品的拉曼光譜,，通過與標準譜庫對比,，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試，可達到鑒別診斷的目的,，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，對人體有保護作用,，但長期紫外線照射會導致皮膚癌變,。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胞癌和鱗狀細胞癌,。臨床拉曼光譜測量過程中,，手持式光譜探頭垂直于組織／病灶表面接收拉曼信號，一般而言,，每個可疑病灶測量１次,，但對于形態(tài)不均勻的病灶，在其內(nèi)部不同位置分別測量３次,。此外,，同時測量病灶附近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,。對大量拉曼光譜數(shù)據(jù)進行分析,，結(jié)合一定的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，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陣列探測器,，并采用色散型的光學設(shè)計，提高了探測器的靈敏度,，讓儀器具備了捕捉微弱拉曼信號的能力,。

相比于785nm、532nm拉曼光譜儀,，1064nm對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，對于很多被測物質(zhì)具備低熒光背景優(yōu)勢,。1064nm相對于可見段的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

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)格為標準配置,，可根據(jù)客戶具體需求,，提供定制產(chǎn)品。

參考文獻

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

  檢測儀器在線詢價