傅里叶红外光谱成像技术

与其他较罕见的骨病相比较，骨质疏松症osteoporosis是一种很普通的与年 龄相关的疾病。它的发生涉及到骨或骨小梁的损失。FTIRI 应用于骨质疏松
症的研究之前，一系列的红外光谱和X‐ray 衍射研究表明：与年龄一致的健
康骨骼相比较，骨质疏松症患者体内的矿物质含量连续降低，而晶粒尺寸和 完善程度将增加、减少或者不变。但是具体的变化方式尚未有定论。应用红 外显微光谱及其成像技术恰可以完美地揭示这些变化，包括骨的超结构，能 鉴别这些在正常组织和骨质疏松组织之间的重要的差别，并排除断裂面的愈 合组织或者微裂缝。通过对大量患有骨质疏松症的男女患者的活检（多位置） 分析，发现矿物质和基质比降低，而结晶度增加，胶原蛋白成熟度也在增加。
FTIRI 在骨病研究中的 应用
ห้องสมุดไป่ตู้
FTIRI 系统工作原理和方式
20
尽管FTIRI 在制样时有一定限制，但瑕不掩瑜。FTIRI技术把光谱测量和 微区成像技术 有效地结合起来，同时采集样品的形态学信息和光谱信息 ，
实现了样品成分的可视化 、微区化、图像和光谱分析的高精度和高灵敏
度等优点。与传统的红外光谱学方法相比不仅是 实验技术的重大突破 ， 同时也开辟了很多新的研究领域 ，给各学科领域研究带来了深远的影响，
结晶度的不均匀性增加，则和碳酸盐‐磷酸盐比的减少有关。
骨石化病（Osteopetrosis） ，此病患者的骨骼象岩石般坚硬，阻 碍了她们的移动且增加了她们的痛苦。很多患者中，此病的起因是
骨的再吸收细胞和破骨细胞不能够对骨进行重建，导致软骨的持续
钙化。FTIRI 研究数据证明了矿物质含量的增加和晶体尺寸的降低， 与在患有此病的动物模型的骨内所观察到的特性是一致的 。
空间分辨的研究，从而可定量判定骨的空间含量或空间差异 、成分和性质以及饮食、
环境和具体的蛋白质（发生基因突变等）的影响，同时也为生物医学的研究的开辟 了一个新的研究领域并提出了治疗依据。
成骨 不全
FTIRI 最重要的应用就是对骨病的发
展及修复的监测 ，用于无损表征骨
样品切片的成分，阐明在骨折愈合期 间以及一些流行疾病（如骨质疏松 症 ）和罕见疾病（如成骨不全症和 骨石化病 ）当中矿物质和基质的变 化。FTIRI 可通过对矿物质的定性定 量分析来研究这些疾病。
显微装置中配以物镜和聚光镜（condenser）实现成像 的６× 放大，数值孔径为０.５８ 。【特定的光学设计 允许样品区域在探测器单元上实现１ ∶ １ 和４ ∶ １ 成像，从而达到２５ × ２５ 和６.２５ μ m × ６.２５ μ m 正常空间分辨率（实际的空间分辨率是和波长相关
的，并由衍射限来决定的） 。光谱可以以快速扫描的模
究骨质疏松性骨折。但是主要是针对均匀骨质。FTIRI 技术的出现则有利于进一步 研究这些硬组织当中的空间异质性，即其较高的空间分辨率和丰富的光谱信息有利
于研究和表征从硬组织的表面到内部的结构和成分分布差别。尽管组织化学和X 射
线显微照相技术可观察到这些空间变化，但是FTIRI 技术则可提供更精确的定量描述。 因此骨的异质性或不均匀性等特性决定了FTIRI 适宜进行和年龄、位置变化等相关的
较难于获得 FTIRI，因而可用于分析的 研究揭示了骨中矿物质和基质的属性 样品数量以及研究结果通用性受到 ，发现骨软化症患者的
了限制 骨小梁区域矿物质含量明显比标样的低 。 ， 矿物质的结晶度在骨小 梁中趋于减少 。
过渡页
Transition Page
引言
关于FTIRI 的总结
FTIRI 系统结构介绍
镜系统两大部分组成。仅以最具代表性的PE 公司的Spotlight 300 系统为例，
描述红外光谱学显微成像系统的原理和构成。
该系统是由一个红外光谱仪（Spectrum One）耦合一个Spotlight 300 显微镜装置。系统内部包含一个16 × 1 单元（400 μ m × 25 μ m） HgCdTe （MCT） 线性阵列探测器（如引言中所述）和一个单点 （100 μ m × 100 μ m ）MCT 探测器，并以液氮置于Dewar 瓶中进 行冷却。这两个探测器均是在液氮温度下以光敏（光电导）模式工作。 二者所探测的最低光谱范围可从720 cm － １ （后者甚至可更低一些） 开始。
脂质构象的排序和相行为等。 探测器 并耦合一个可快速运动的样品台。 傅里叶变换红外（fourier transform infrared ，FTIR 该仪器允许红外光谱成像（ Maps ）光谱技术 或Images 则是在 ）以独立的 20世纪80
年代后期兴起，并在生物医学 样品尺寸采集，和基于 FPA 开发的红外光谱成像仪器在 研究中发挥着越来越重要的
式（最大速率８０ pixels／s）进行采集。】可见光成 像（视觉影像Visual image）的收集则通过一个CCD 相机结合计算机控制（亦可手动操作）的显微镜样品台 的运动来最终实现。可见光成像的收集是在白光LED 的 照射下“拼接”而成。而后在可见光成像区域内选择感 兴趣的区域进行红外光谱成像。因为系统集成阵列探测 器和运动样品台，所以红外光谱成像数据采集速度较快。 具体速度还与光谱分辨率及空间分辨率有关，分辨率越 高则采集时间越长。
FTIRI 系统工作原理和方式
5
目前世界著名的红外光谱学显微成像系统的生产公司包括Bio‐Rad （现在
是Digilab／Varian） ， Perkin Elmer （PE） ，Thermo‐Fisher Nicoli ， Bruker 等。这些红外光谱显微成像系统基本上是由红外光谱仪和红外显微
过渡页
Transition Page
引言
关于FTIRI 的总结
FTIRI 系统结构介绍
FTIRI 在骨病研究中的 应用
FTIRI 系统工作原理和方式
2
过渡页
Transition Page
引言
关于FTIRI 的总结
FTIRI 系统结构介绍
FTIRI 在骨病研究中的 应用
FTIRI 系统工作原理和方式
之后，调节（移动）样品台来确定可见 光成像区域。在可见光成像的基础上选
择ROI（region of interest）进行红外
光谱显微成像。
通过样品台的精确移动和探测器对样品的 同步扫描和计算机数据处理，获得ROI 的 每个像素的XY 坐标和红外光谱。这些探测 器测量目标范围内全波段光谱的平均吸收 率（或透射率） ，并采用一定的颜色（范 围）来表示，即（Artifact），从而ROI 显 示以彩色图像。在任意像素所对应的红外 光谱上选择某特征谱带，即可衍生出该特 征谱带所对应的特征基团或该基团所代表 的某特征成分在样品的ROI 内的分布情况， 此即成分图像（Chemical Image） 。从 而可形象直观的分析样品组分、结构特征、 特征基团的空间分布及其变化等。
骨石 化病
骨质 疏松 骨软 化症
成骨不全（osteogenesis imperfecta） ，也称骨脆症，是一种具有罕 见遗传性的易碎骨病。此病的患者具有高的骨折风险，最终归因于胶原
蛋白基因的变异位置。
FTIRI 提供了这样一个有利条件，从而能够弄清楚胶原蛋白分子内不同的变异对矿物质沉积的影响。 Atti 等采用该技术研究了骨中转化生长因子的不足对骨中矿物质和骨基质的影响。从矿物质的含量、结 晶度和胶原的成熟度三个参数，以及从同一个样本选择若干个区域（从二级骨化中心到远端骨干）来表 征骨的发展的几个不同阶段。结果显示受损骨的成熟机制直接涉及到生长转化因子的不足以及间接的炎 性细胞因子的增加。FTIRI 技术和组织结构力学相结合还被成功地应用于测量种内变异的老鼠的骨骼中 矿物和基质组成 。研究发现了矿物质‐基质比及碳酸盐‐磷酸盐比的不均匀性和结晶度变化的关系： 股骨断裂暗示着矿物质‐基质比和碳酸盐‐磷酸盐比的不均匀性减少， 同时骨的刚性降低的概率增加，导致断裂；
FTIRI FTIRI 分析对骨的研究也有一些 还被用于研究骨软化症 局限性 （osteomalacia 。首先，因为骨是一种硬组 ），其不同于骨质疏 织，薄的切片较难于制备 松症。【在患有骨质疏松症的骨中，矿物质的密度是逐渐减少的， 。为了避免这个问题，骨通常被固定然后 包埋在较硬的基底里面，从而可以用显微切片机进行切片制样。然 骨的微体系结构被破坏，骨中非胶原蛋白的数量和种类发生变化， 而，这种 以上因素导致骨折的风险增加。】而对于骨软化病，则是因为有 方法比较耗时，而且所采用的包埋材料的光谱会覆盖骨的 矿物质成分 缺陷的骨 和基质成分的光谱 当中 骨盐（骨中的矿物质）沉积 。此外，针对于人体研究的活检样品 引起的 骨变软 的泛称。
极大地提高了科学研究的效率和光谱技术的通用性。FTIRI 系统的出现不
仅为材料、化学、环境分析等学科的发展提供了有力的研究手段，同时 更为生物医学领域的研究开辟的广阔的发展空间。
谢谢
thankyou By 胡文涛
过渡页
Transition Page
引言
关于FTIRI 的总结
FTIRI 系统结构介绍
FTIRI 在骨病研究中的 应用
FTIRI 系统工作原理和方式
13
传统红外光谱学可研究鉴别骨中羟磷灰石的存在和定量研究骨中取代基，譬如碳酸
盐和酸式磷酸盐的存在，可提供均匀分布的组织中的晶体尺寸和完整度，有利于研
3
红外光谱 2001 年， 用于生物物理学和生物化学进行 珀金埃尔默（Perkin Elmer）公司 结构分析 推出一套傅 已有大 半个世纪。该方法提供了重要的结构信息，例如组织的组 里叶变换红外光谱成像（ fourier transforminfrared
成，蛋白质二级结构和相互作用， imaging ，FTIRI）系统，即采用高灵敏度的 DNA 构象和结构转变， 线性阵列
过渡页
Transition Page
引言
关于FTIRI 的总结
FTIRI 系统结构介绍
FTIRI 在骨病研究中的 应用
FTIRI 系统工作原理和方式
9
透射模式
反射模式
成像模式选择之后，将样品置于红外显 微镜的样品台上，进行Z 轴方向的上下 调节从而可实现LED 白光和入射红外光
有效聚焦到待测样品位置。在清晰聚焦
作用。 数据采集时间 和操作方便性方面相比较具有更明显的优 势，并降低了噪声和成本。自FTIRI 技术出现以来，虽然
仪器系统较昂贵，但仍以其强大的功能在各领域发挥越
来越重要的作用。
过渡页
Transition Page
引言
关于FTIRI 的总结
FTIRI 系统结构介绍
FTIRI 在骨病研究中的 应用