光谱技术与疾病诊断

光谱技术与疾病诊断

一.光谱简介：光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列，根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法

二．光谱技术的发展历程

。1666年，牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。这是可算是最早对光谱的研究。其后一直到1802年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814年夫琅和费也独立地发现它。牛顿之所以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。在1814～1815年之间，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19世纪60年代发展起来的；他们证明光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。从19世纪中叶起，氢原子光谱一直是光谱学研究的重要课题之一。在试图说明氢原子光谱的过程中，所得到的各项成就对量子力学法则的建立起了很大促进作用。这些法则不仅能够应用于氢原子，也能应用于其他原子、分子和凝聚态物质。

氢原子光谱中最强的一条谱线是1853年由瑞典物理学家埃斯特朗探测出来的。此后的20年，在星体的光谱中观测到了更多的氢原子谱线。1885年，从事天文测量的瑞士科学家巴耳末找到一个经验公式来说明已知的氢原子诺线的位置，此后便把这一组线称为巴耳末系。继巴耳末的成就之后，1889年，瑞典光谱学家里德伯发现了许多元素的线状光谱系，其中最为明显的为碱金属原子的光谱系，它们也都能满足一个简单的公式。

尽管氢原子光谱线的波长的表示式十分简单，不过当时对其起因却茫然不知。一直到1913年，玻尔才对它作出了明确的解释。但玻尔理论并不能解释所观测到的原子光谱的各种特征，即使对于氢原子光谱的进一步的解释也遇到了困难。能够满意地解释光谱线的成因的是20世纪发展起来的量子力学。电子不仅具有轨道角动量，而且还具有自旋角动量。这两种角动量的结合便成功地解释了光谱线的分裂现象。

电子自旋的概念首先是在1925年由乌伦贝克和古兹密特作为假设而引入的，以便解释碱金属原子光谱的测量结果。在狄喇克的相对论性量子力学中，电子自旋(包括质子自旋与中子自旋)的概念有了牢固的理论基础，它成了基本方程的自然结果而不是作为一种特别的假设了。

1896年，塞曼把光源放在磁场中来观察磁场对光三重线，发现这些谱线都是偏振的。现在把这种现象称为塞曼效应。次年，洛伦兹对于这个效应作了满意的解释。

塞曼效应不仅在理论上具有重要意义，而且在应用中也是重要的。在复杂光谱的分类中，塞曼效应是一种很有用的方法，它有效地帮助了人们对于复杂光谱的理解。

三．疾病诊断原理

人体组织中常常包含一些发光物质,当用一定波长的光激发人体组织时;它能发出荧光。如果扫描激发光的波长,探测总的荧光强度或者某一特定波长的荧光强度,此时得到的光谱称为荧光激发光谱;如果固定激发光的波长,记录荧光强度随荧光波长的变化而变化,

此时得到的光谱称为荧光发射光谱。由此可以发现、识别肿瘤和动脉粥样硬化斑块的特征光谱或数学判据。

组织的荧光光谱研究又可分为自体荧光法和外加光敏物质荧光法两种。用激光激发能在人体病变组织中选择性滞留的外加光敏物质,该物质产生特征荧光光谱,由此来诊断疾病的方法称为外加光敏物质方法;如果在不外加光敏物质的前提下,人体组织受激光激发而产生的荧光是人体组织特征的反映,通常把它称为组织固有的自体荧光。

四．疾病诊断

由于癌症是严重威胁人类健康和生命安全的疾病,所以人们把医学光谱诊断的研究重

点放在癌症和的识别和诊断方面。本文将重点介绍激光光谱学在癌症的诊断研究方面的应用。

（一）荧光光谱诊断

1.外加光敏物质诊断

目前,最通用的光敏剂为血叶琳衍生物(HPD),它既可用于诊断癌症,又可用了治疗癌症。低浓度的血卟琳衍生物通过静脉注射到人体中,各种类型的细胞都可吸收它。几天之后,正常组织释放它,并将之排出体外:而肿瘤组织却滞留它。如果用紫外激光或紫激光来激发它,可以诱导出荧光来。由于HPD在红光范围内具有双峰荧光结构(位于630nm和690nm),因此,可以利用它来识别肿瘤。如果再利用一定的判据函数,并且测量出人体组织中不同位置的判据函数,就可以为癌症划界,为治疗癌症提供方便。

2.自体荧光光谱诊断

自上个世纪80年代中期,人们对肿瘤组织的自体荧光进行了大量的研究,取得了可喜的进展,本文仅选其中的几例加以介绍。

(1)美国纽约大学R1Alfano等人于1990年公布了一项用自体荧光诊断乳腺癌、宫颈癌、卵巢癌和子宫癌的专利。用波长为300nm的紫外光照射可疑组织,获得了荧光发射光谱,它的谱峰位于340nm处。通过计算波长为340与440nm处的荧光强度之比,发现肿瘤组织与良性瘤或正常组织有明显的区别,这为诊断妇科瘤提供了一种新方法。将它们与石英光纤相结合,可以对肿瘤进行诊断和定位,这在外科手术中也十分有用,它可以让外科医生

知道肿瘤是否已被完全切除。

(2)复旦大学叶衍明等人自1984年以来一直用Xe+激光器研究肿瘤组织中自体荧光谱的来源及其肿瘤诊断中的应用。他们对多种癌组织进行了激光诱导荧光研究,经过对比分析,发现除了肺癌之外,癌组织的荧光光谱结构差异比较小,其谱峰位置都在630nm和690nm

处。他们认为在该激发条件下,荧光和癌组织的细胞类型、形态及结构无关,而可能与癌

组织生长过程中的某种共同特性有关。他们对100例以上的病人进行过临床诊断,与病理

切片相比较,符合率达89%。

(二）拉曼光谱乳腺癌的诊断

Frank等［1］应用光纤探头来观察离体乳腺浸润性导管癌组织的傅立叶变换拉曼光谱，代表脂类的1439cm -1 谱带明显降低，而且峰移至1450cm -1 。浸润性导管癌与乳腺纤维囊性增生的光谱区别在于它的酰胺Ⅰ带（1656cm -1 ）和酰胺Ⅲ带（1259cm -1 ）相对增高。姚淑霞等［2］应用乳腺组织切片检测其拉曼光谱，每一个病理切片均对细胞间质、细胞质、细胞核等不同部位扫描2～3次，结果表明在633nm波长激光的激发下，产生拉曼光谱的发光基团大部分都聚集在细胞核内，通过比较细胞核的拉曼峰值以及观察860cm -1 附近的峰位变化，能为乳腺癌提供辅助诊断依据。闫循领等［3］应用共焦显微拉曼光谱仪对乳腺癌病人正常及癌变组织的单个细胞进行拉曼光谱测量。乳腺癌细胞与正常乳腺细胞的拉曼谱线相比强度减小，癌细胞的状态越差，拉曼谱线越弱，接近凋亡的癌细胞，谱线几乎消失。由于细胞癌变，DNA的2个磷酸骨架峰（782cm -1 、1084cm -1 ）和脱氧核糖-磷酸振动峰（1155cm -1 、1262cm -1 ）拉曼谱线明显的减弱，说明DNA的磷酸根骨架有一定的断裂，从而导致癌细胞的分裂繁殖失去有效的控制。在癌变细胞的光谱中还出现了与细胞钙化密切相关的特征峰（960cm -1 ）。根据乳腺组织拉曼光谱的差异性，可以进一步研究人乳腺组织的拉曼光谱模型，从分子水平探讨乳腺癌变的生化机制，为实现乳腺癌活体诊断提供有力的实验依据。

五．参考文献［1］Frank CJ，McCreery RL，Redd DC.Raman spectroscopy of nor-mal and diseased human breast tissues［J］.Anal Chem，1995，67（5）:777-783.

［2］姚淑霞，赵元黎，张录，等.乳腺组织切片的拉曼光谱的研究［J］. 河南预防医学杂志，2004，15（3）:132-134.

［3］闫循领，董瑞新，王秋国，等.乳腺癌病人单个细胞的Raman光谱［J］. 光谱学与光谱分析，2005，25（1）:58-61.