生物醫療

拉曼光譜在生物醫學中的應用

研究背景

當光與生物組織相互作用時,發生反射、吸收、螢光、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。拉曼頻移是表徵物質分子振動、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資訊,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資訊,在如實反映組織生化組成的基礎上,不但可以用於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。選擇合適波長的雷射用於活體生物組織光譜激發,對於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螢光,因此,臨床拉曼光譜分析裝置常使用近紅外光作為激發光。相比於紫外光與可見光,近紅外光具有更為優越的組織穿透性,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螢光。

 

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),採用Portman-1064進行測試。
 

1. 實驗樣品圖
 

圖2. 拉曼光譜採集



 

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儘量延緩結石的復發成為臨床醫師不斷探索的重要目標。採集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。說明透過拉曼光譜測試,可達到鑑別診斷之目的,為臨床尿液結晶的篩選、診斷創造出一種新方法。




 

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,位於身體最外層,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,後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於組織/病灶表面接收拉曼訊號,一般而言,每個可疑病灶測量1次,但對於形態不均勻的病灶,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範圍的正常皮膚組織光譜資訊作為參考。圖6是檢測人員自測的資料,拉曼光譜可以提供皮膚的拉曼特徵峰資訊,能夠從峰位元、峰值等光譜特徵分析組織的生化組成與結構特徵。對大量拉曼光譜資料進行分析,結合一定的資料統計方法,處理多組拉曼光譜資料,更容易獲得不同類型生物組織差異化光譜特徵。

 



 

實驗結論

實驗結果表明,可以通過如海光電1064nm可擕式拉曼光譜儀對結石和皮膚樣本進行測試,測試得到的拉曼譜峰資訊可以為後續拉曼光譜在生物組織測試中的應用可提供參考意義。


 

參考文獻

[1]林漫漫,常靜,張朋,等.雷射拉曼光譜技術在生物活體研究中的應用進展[J].廣西科學, 2021, 28(6):557-567.

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

[3]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.

 

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