拉曼光谱技术及其在医学中的应用

拉曼光谱技术及其在医学中的应用

摘要:本文介绍了拉曼光谱理论及其常用技术。拉曼光谱技术以其维护成本低,使用简单,对样品无接触、无损伤,成像快速、简便、分辨率高等优点广泛应用于化学、医学、宝石鉴定、林业等领域,本文重点介绍其在医学中的应用,同时对其应用前景做出展望。

关键词:拉曼光谱技术医学应用

1 拉曼光谱简介

拉曼光谱,是一种散射光谱。一束单色光入射于试样后会出现透射、吸收、散射3种情况。散射光中的大部分波长与入射光相同,称为瑞利散射;而一小部分由于试样中分子振动和分子转动的作用使波长发生偏移,称为拉曼散射。这种波长发生偏移的光的光谱就是拉曼光谱。

2 拉曼光谱技术

2.1 显微拉曼光谱技术

将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的一种应用技术。此技术不仅具有普通拉曼技术的特点,还有其自身独特的优点,采用低功率激光器,高转换效率的全息CCD技术[1],更易于直接获得大量有价值信息,具有检测灵敏度高、时间短、所需样品量小、样品无需制备等优点。其在肿瘤检测、文物考古、公安法学等领域有着广泛的应

用。

2.2 傅里叶变换拉曼光谱技术

1964年,Chantry和Gebbie首次证明了用傅里叶变换技术获得拉曼光谱的可行性。1986年,Hirschfeld著文肯定了傅里叶拉曼光谱的可行性和应用前景[2]。随后各大厂家陆续制造傅立叶变换的干涉仪型光谱仪,使得傅里叶变换拉曼光谱技术得到极大推广。该技术克服了荧光干扰,对荧光强、颜色深的样品更适用,并具有测量波段宽、热效应小、检测精度及灵敏度高等优点,且具有多通路的特点,能同时测定所有频率[1]。

2.3 共振拉曼光谱技术

当一个化合物被入射光激发,激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时,由于电子跃迁和分子振动的耦合,激发光波长与分子的电子跃迁波长相等时,使某些拉曼谱线的强度陡然增加,发生共振拉曼散射。其拉曼散射强度比常规拉曼散射要高出约106倍。共振拉曼散射技术具有高度的选择性和灵敏性,不仅能探测生色团的存在,而且能探测生色团的结构和微环境的变化[3],并可用于低浓度和微量试样的检测,特别适用于生物大分子试样检测。

2.4 表面增强拉曼光谱技术

英国Fleischmann等人[4]从吡啶在粗糙银电极表面上发现了表面

增强拉曼散射效应。当一些分子被吸附到金属胶粒或粗糙金属(如银、金、铜等)表面时,它们的拉曼谱线强度会得到极大的增强,增加104～106倍,这种不寻常的拉曼散射增强现象被称为表面增强拉曼效应。表面增强拉曼光谱技术有效地弥补了拉曼信号灵敏度低的弱点,可以获得常规拉曼光谱难以得到的信息,已广泛应用于表面和界面的理化研究、生物分子检测等领域。有人将表面增强拉曼光谱技术成功应用于免疫检测和细胞研究中。

3 拉曼光谱技术在医学中的应用

在医学中的应用,与其它诊断技术相比,拉曼光谱技术在许多方面有着明显的优势,可归纳如下:

(1)相比于其它诊断技术通常采用纯净、单一的试样,拉曼光谱能用于多种试样形态,如固体、悬浮液、沉淀物等,而医学试样一般为体液、软组织和矿物质的混合物,因而拉曼技术在医学领域有独特的优势。(2)作医学诊断时,拉曼光谱技术只需要简单的试样准备,有利于在近乎生理条件下保留医学试样;而其它诊断方法通常要对试样作较复杂的处理,可能导致其发生理化性质的改变,影响诊断结果。(3)拉曼光谱技术可用于活体试样,能为医疗过程中的实时诊断提供可能性,这一特点其它技术一般不具备。

3.1 恶性肿瘤

恶性肿瘤是当今威胁人类健康和生命的最严重疾病。拉曼光谱可以在分子水平上揭示癌细胞组织结构与正常细组织结构之间的差异,通过一定数量癌变的和正常的器官组织的拉曼光谱的对比研究,从二者差异应能找出反映改变的特征标志光谱[5]。近几年来,很多学者相继对胃癌、乳腺癌、口腔腮腺癌和结肠癌等病人的几种细胞、人血单个红细胞等进行了拉曼光谱研究,拉曼光谱技术在癌症诊断方面取得了较好的进展,并发展了一些新的拉曼光谱诊断技术。

有人对甲状腺正常组织和甲状腺癌组织的傅里叶变换拉曼光谱进行了初步讨论,通过实验得到了甲状腺癌变组织样品和甲状腺正常组织样品的拉曼光谱,通过比较正常组织和癌变组织拉曼光谱中的特征峰,可以很容易地将二者加以区分。实验证明,拉曼光谱法是甲状腺癌诊断的有效方法。

3.2 心血管疾病

心血管疾病,是一系列涉及循环系统的疾病,常见病种有高血压、心绞痛、心肌梗塞等。

在心血管疾病的各种治疗方法中,激光血管成形术[6]有明显的优越性,但在治疗过程中出现的血管穿孔现象严重影响它在临床中的广泛应用。为了防止出现血管穿孔,要求能够及时准确地识别出斑块和血管壁。有人研究了动脉粥样硬化斑块和血管壁的拉曼光谱。结果表明,拉曼光谱能有效区分动脉粥样硬化斑块和血管壁,为激光血管成形

术的实时监控提供依据。

还有人研究发现近红外傅里叶变换拉曼光谱术可用来鉴别常规心血管窥镜不能区分的动脉粥样硬化斑块和正常组织。利用激光光镊拉曼光谱系统研究结果显示心律失常患者红细胞的部分谱线整体强度有所减弱,为心血管疾病的诊断提供有价值的信息。

4 拉曼光谱技术的医学应用前景

近几十年里,拉曼光谱以其特有的非破坏性、非侵入性、精细的分辨能力、不用试剂和高度自动化等优点,在医学领域发展迅速。许多技术发明促进了拉曼光谱技术在医学中的应用,如拉曼探针等;反之,医学研究的要求也促使新的拉曼技术的出现,如为了获得组织不同层处的信息,采用红波长激光代替紫外和可见光以便深入试样更深处。拉曼光谱技术不仅在医学诊断方面获得很多突破性的研究进展,如癌症早期的诊断、结石病、白内障、动脉硬化等疾病的诊断研究;在临床应用反面也发展迅速,现在市场上已能够的可供临床应用的拉曼探针和适合医用的拉曼光谱仪。

参考文献

[1] 杨芳.拉曼光谱技术与应用[J]. 中国当代医

药,2010,17(27):12～13.

[2] 宫衍香,吕刚,马传涛.拉曼光谱及其在现代科技中的应用[J]. 现代物理知识,2006,18

[3] 田艳杰.胡萝卜的共振拉曼散射及其荧光增强受激拉曼散射研究[D].吉林;吉林大学,2007.

[4] M.Fleischman,P.J.Hendra, Raman Spectra of Pyridine Adsorbed at a silver Electrode,Chem.Phys.Lett,1974,26:163.

[5] 杨永梅.拉曼光谱技术应用的综述[J].科技传播,2010,10(下):105～106.

[6] 谷怀民,邢达.激光诱导荧光光谱识别动脉粥样硬化斑块的研究[J].光子学报,2003,32(6):649～652.