拉曼光譜在生物醫學中的應用

一、研究背景

當光與生物組織相互作用時，發生反射、吸收、熒光、散射（彈性散射與非彈性散射）等光學效應和現象。當入射光子與分子發生非彈性碰撞時，光子與分子之間發生能量交換。不僅光子運動方向發生改變，同時光子轉移一部分能量給散射分子，轉變為分子振動或轉動能量，或者從散射分子吸收一部分能量，導致光子波長／頻率發生改變。拉曼頻移是表征物質分子振動、轉動能級特性的一個物理量，也是利用拉曼光譜進行物質分子結構分析的依據。

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上，不但可以用于探討疾病發生與治療機制，而且更易實現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，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，從而可實現更大區域內組織光譜的激發。而且，低功率近紅外光能產生較少的組織光化學損傷與自體熒光。

二、材料與設備

測試材料來自某醫院隨機抽取20例結石樣品（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、結石拉曼光譜分析

圖3 14例結石拉曼光譜

圖4 3例結石拉曼光譜

圖5 3例結石拉曼光譜

影響結石形成及復發的因素很多，且其發病機制尚不明確，多數研究表明結石的形成可能與遺傳基因、性別、年齡、種族、氣候環境、飲食結構及飲水習慣等因素相關。如何更安全有效的清除結石、尋找結石的相關誘發因素以及盡量延緩結石的復發成為臨床醫師不斷探索的重要目標。采集20例結石樣品的拉曼光譜，通過與標準譜庫對比，可知14例（圖3）結石是草酸鈣，3例（圖4）結石是磷酸鈣，3例（圖5）結石是尿酸。說明通過拉曼光譜測試，可達到鑒別診斷的目的，為臨床尿液結晶的篩選、診斷創造出一種新方法。

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，但對于形態不均勻的病灶，在其內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據，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構特征。對大量拉曼光譜數據進行分析，結合一定的數據統計方法，處理多組拉曼光譜數據，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，其內部采用InGaAs陣列探測器，并采用色散型的光學設計，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的熒光發射區域，對于很多被測物質具備低熒光背景優勢。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。

產品特點

規避熒光

透射光柵

高穿透性

深度制冷

高靈敏度

規格參數

組配件清單

注：以上規格為標準配置，可根據客戶具體需求，提供定制產品。

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

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