[科普中國]-生物醫(yī)學(xué)光譜學(xué)

生物醫(yī)學(xué)光譜學(xué)(Biomedical spectroscopy)是綜合生物、醫(yī)學(xué)科學(xué)和光譜學(xué)（主要指分子光譜學(xué)范疇）的理論和方法而發(fā)展起來的交叉學(xué)科，主要目的是通過利用各種光譜技術(shù)方法，為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基因、分子、蛋白、組織等各種對象提供快速、無損、非標(biāo)記的檢測，同時(shí)利用光譜數(shù)據(jù)獲得的綜合信息開展物質(zhì)分子成分的定性、定量檢測，相關(guān)疾病的光譜診斷及人體健康狀況綜合檢測與評估。

研究內(nèi)容及研究方法光譜學(xué)的研究歸根結(jié)底是基于光與物質(zhì)相互作用的原理，生物醫(yī)學(xué)光譜學(xué)研究內(nèi)容主要利用各種光與物質(zhì)作用時(shí)所產(chǎn)生的作用現(xiàn)象，通過對一系列波長范圍的光與物質(zhì)作用的觀察和測量，從而實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)含量，結(jié)構(gòu)組成等信息的獲取，結(jié)合一些數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從分子水平到組織水平的光譜檢測和光譜診斷。目前光譜學(xué)的主要研究方法有：

1.紫外-可見-近紅外吸收光譜分子在吸收光能后產(chǎn)生價(jià)電子，價(jià)電子在不同能級間會發(fā)生躍遷，處于穩(wěn)定狀態(tài)的基態(tài)分子躍遷到不穩(wěn)定的高能態(tài)就會形成吸收光譜。因而，利用不同物質(zhì)分子在不同波段的對光的吸收性質(zhì)，可對無機(jī)化合物、有機(jī)化合物及生物大分子進(jìn)行定性和定量的分析檢測，如：DNA定量和酶標(biāo)儀

2.紅外光譜紅外光譜是一種分子吸收光譜，在有機(jī)物分子中，組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動的狀態(tài)，其振動頻率與紅外光的振動頻率相當(dāng)。用紅外光照射有機(jī)物分子時(shí)，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)可發(fā)生振動吸收，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收頻率不同，在紅外光譜上將處于不同位置，從而可獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息。目前常用的紅外光譜系統(tǒng)主要為傅里葉變換紅外光譜儀，主要應(yīng)用于甲狀腺、乳腺、胃腸道等腫瘤組織的診斷研究。

3.熒光光譜熒光是物質(zhì)吸收電磁輻射后受到激發(fā)，受激發(fā)原子或分子在去激發(fā)過程中再發(fā)射波長與激發(fā)輻射波長相同或不同的輻射。熒光光譜是指當(dāng)熒光物質(zhì)在固定的激發(fā)光源照射后所產(chǎn)生的分子熒光強(qiáng)度隨發(fā)射波長變化的關(guān)系曲線。它表示在所發(fā)射的熒光中各種波長組分的相對強(qiáng)度。熒光光譜包括激發(fā)譜和發(fā)射譜兩種。熒光光譜在生物醫(yī)學(xué)中的主要應(yīng)用有皮膚、鼻咽、胃腸道等腫瘤組織的熒光光譜診斷研究。

4.反射光譜入射光在樣品表面反射所得的光譜叫反射光譜。反射光譜通常在樣品的最大吸收處附近有最小反射。反射光譜可分為內(nèi)反射光譜、漫反射光譜、鏡面反射光譜和外反射光譜。生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要有漫反射光譜。如人體舌苔的漫反射光譜研究，為中醫(yī)癥候的深入研究提供可量化的比較參數(shù)。

5.拉曼光譜拉曼散射是由印度科學(xué)家C.V.拉曼（Raman）在1928年所發(fā)現(xiàn)的光的非彈性散射效應(yīng)。拉曼散射效應(yīng)是光子與光學(xué)支聲子相互作用的結(jié)果。在拉曼譜線中有比激發(fā)光波長長和短的成分，把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。迄今為止，拉曼光譜已經(jīng)應(yīng)用于各種生物醫(yī)學(xué)組織的體內(nèi)和體外檢測，如用于各種癌的早期診斷、藥物與組織作用的檢測以及人體體液中重要物質(zhì)分子含量的非標(biāo)記檢測。

應(yīng)用與發(fā)展前景物質(zhì)成分的定性、定量檢測主要是利用光與生物分子相互作用時(shí)表現(xiàn)出的吸收、透射、散射等行為的改變，進(jìn)而通過出射光譜的測量，獲得反映生物分子濃度或者相對含量的光譜強(qiáng)度信息或光譜頻率改變信息?；谔囟ㄎ镔|(zhì)分子表現(xiàn)的光譜特征峰，有望為生物醫(yī)學(xué)中特定（或多種）物質(zhì)成分含量提供無損、非標(biāo)記的檢測方法。值得一提的是，目前已有研究人員初步實(shí)現(xiàn)基于人體血液的多種含量成分（如膽固醇、白蛋白、葡萄糖等）濃度的無需檢測試劑的光譜定量檢測，目前檢測精度還有待提高。相信隨著光譜儀器性能的提高，在確保獲得高信噪光譜數(shù)據(jù)的同時(shí)，通過開發(fā)、利用更加高效、可靠的光譜數(shù)據(jù)處理方法，有望為生物組織樣品（尤其是體液樣品）的多物質(zhì)成分的實(shí)時(shí)定量檢測提供可能。

人體疾病或健康狀況的檢測顯然正常和異常的生物細(xì)胞、組織、器官，其內(nèi)部某些物質(zhì)的生化結(jié)構(gòu)和相對物質(zhì)含量客觀上存在差異，因而通過獲得可反映這些生化差異的光譜信息，進(jìn)而為尋找基于光譜方法的用于區(qū)分正常、異常細(xì)胞、正常和疾病的組織、器官提供可行性。

將光譜技術(shù)應(yīng)用于人體疾病尤其腫瘤的早期檢測診斷研究已不再新鮮，光譜技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于人體組織內(nèi)外、組織器官或體液等多模式、多形態(tài)的檢測。然而值得一提的是，應(yīng)用于人體組織疾病診斷的光譜方法研究目前尚處于基礎(chǔ)研究或者臨床前研究階段?；A(chǔ)研究結(jié)果較多，但可成功應(yīng)用于臨床的技術(shù)方法尚未見報(bào)道?；诠庾V方法的醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用無疑存在檢測靈敏度或特異性不夠理想的問題，原因主要有：首先與疾病發(fā)病機(jī)理相對應(yīng)的物質(zhì)成分的生化改變尚不明確。另外，人體組織結(jié)構(gòu)成分復(fù)雜，不同成分的光譜差異往往較小，而不同組織個(gè)體間的差異往往很大，因而使得刻畫、構(gòu)建正常和疾病組織光譜參數(shù)模型存在極大困難。因此，光譜方法在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用除了繼續(xù)提高儀器系統(tǒng)的檢測性能外，對光譜數(shù)據(jù)信號的有效提取及分析顯得十分重要，即如何從那些差異看似微小的大數(shù)據(jù)中提取重要的、可靠的光譜數(shù)據(jù)信息對于推動光譜在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用具有十分重要的作用。相信隨著光譜儀器性能的提高及儀器小型化、便攜化的發(fā)展，在不久的將來有望實(shí)現(xiàn)操作簡便、檢測靈敏的可實(shí)時(shí)反映人體健康狀態(tài)的光譜檢測新技術(shù)。

擴(kuò)展閱讀陳榮，李永增，馮尚源，黃祖芳，謝樹森. 人體組織拉曼光譜研究進(jìn)展，激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2008，45(1): 16-23.

陳燕坪, 陳剛, 鄭雄偉, 馮尚源, 王靜, 席剛琴, 蘭風(fēng)華, 陳榮. 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在腫瘤病理中的應(yīng)用，激光生物學(xué)報(bào)，2012，21(2):19-24.

張小青，徐智，凌曉峰，徐怡莊，吳瑾光. 紅外光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用, 光譜學(xué)與光譜分析，2010，30(1): 30-33.

林凌，張晶，解鑫，趙靜，李剛. 人體舌苔的光譜學(xué)研究，納米技術(shù)與精密工程，2010，8(1): 54-58.

李永增，謝樹森，陳榮. 人體組織拉曼光譜檢測與技術(shù)進(jìn)展，中國激光醫(yī)學(xué)雜志，2011，20(3): 177-182.

黃祖芳，馮尚源，林居強(qiáng)，陳冠楠，李永增，陳希文，王靜，陳榮. SERS光譜技術(shù)在人體體液研究中的應(yīng)用，激光生物學(xué)報(bào)，2012，21(6): 481-485.

林居強(qiáng)，阮秋詠，陳冠楠，馮尚源，李步洪，陳榮. 基于表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)的癌癥檢測研究進(jìn)展，激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013，50(8): 184-192.

Caroline S.B.T, Renata A.B, Herculano S.M, Andre B.O.S, Macro A.V.K, Celso U.M.F, Ricardo B.daC, Emilia A.L.A, Airton A.M. Thyroid tissue analysis through Raman spectroscopy. Analyst, 2009, 134: 2361-2370.

Abigail S.H, Zoya V, Joseph A.G, Jon N, Robert S, Nancy W, Ramachandra R.D, MaryAnn F, Michael S.F. Diagnosing breast cancer using Raman spectroscopy: prospective analysis. Journal of Biomedical Optics, 2009, 14(5): 054023.

The S.K, Zheng W, Ho K.Y, The M, Yeoh K.G, Huang Z.W. Near-infrared Raman spectroscopy for gastric precancer diagnosis. Journal of Raman spectroscopy, 2009, 40(8): 908-914.

Daniel R, Wolfgang K, Wolfgang P. Quantitative analysis of serum and serum ultrafiltrate by means of Raman spectroscopy. Analyst, 2004, 129: 906-911.

Feng S.Y, Lin J.Q, Cheng M, Li Y.Z, Chen G.N, Huang Z.F, Yu Y, Chen R, Zeng H. Gold nanoparticle based surface-enhanced Raman scattering spectroscopy of cancerous and normal nasopharyngeal tissues under near-infrared laser excitation. Applied Spectroscopy, 2009, 63(10): 1089-1094.

Feng S.Y, Chen R, Lin J.Q, Pan J.J, Chen G.N, Li Y.Z, Cheng M, Huang Z.F, Chen J.S, Zeng H.S. Nasopharyngeal cancer detection based on blood plasma surface-enhanced Raman spectroscopy and multivariate analysis. Biosensors and Bioelectronics, 2010, 25(11): 2414-2419.

Huang Z.F, Wang J, Lin J.Y, Chen X.W, Sun Y, Cao G, Lin J.Q, Lei J.P, Lin H.X, Chen R. Drop coating deposition Raman spectroscopy as a potential tool for identification and determination of fructose in seminal plasma. Journal of Raman Spectroscopy, 2014, 45(10): 879-883.

Lin J.Y, Zeng Y.Y, Lin J.Q, Wang J, Li L, Huang Z.F, Li B.H, Zeng H.S, Chen R. Erythrocyte membrane analysis for type II diabetes detection using Raman spectroscopy in high-wavenumber region. Applied Physics Letter, 2014, 104(10): 104102.

Lin D, Pan J.J, Huang H, Chen G.N, Qiu S.F, Shi H, Chen W.W, Yu Y, Feng S.Y, Chen R. Label-free blood plasma test based on surface-enhanced Raman scattering for tumor stages detection in nasopharyngeal cancer. 2014, 4: 4751.

Li Z.F, Li C, Lin D, Huang Z.F, Pan J.J, Chen G.N, Lin J.Q, Liu N.R, Yu Y, Feng S.Y, Chen R. Surface-enhanced Raman spectroscopy for differentiation between benign and malignant thyroid tissues. Laser Physics Letters, 2014, 11(4): 045602.

Teh S.K, Zheng W, Ho K.Y, The M, Yeoh K.G, Huang Z. Near-infrared Raman spectroscopy for early diagnosis and typing of adenocarcinoma in the stomach. British Journal of Surgery, 2010, 97(4): 550-557.

Li Y.Z, Pan J.J, Chen G.N, Li C, Lin S.J, Shao Y.H, Feng S.Y, Huang Z.F, Xie S.S, Zeng H.S, Chen R. Micro-Raman spectroscopy study of cancerous and normal nasopharyngeal tissues. Journal of Biomedical Optics, 2013, 18(2): 27003.

Huang Z.F, Chen X.W, Li Y.Z, Chen J.H, Lin J.Q, Wang J, Lei J.P, Chen R. Quantitative determination of citric acid in seminal plasma by using Raman spectroscopy. Applied Spectroscopy, 2013, 67(7): 757-760.

Lin J.Q, Chen R, Feng S.Y, Pan J.J, Li B.H, Chen G.N, Lin S.J, Li C, Sun L.Q, Huang Z.F, Zeng H.S. Surface-enhanced Raman scattering spectroscopy for potential noninvasive nasopharyngeal cancer detection. Journal of Raman Spectroscopy, 2012, 43(4): 497–502.

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黃祖芳 - 助理研究員 - 福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院陳榮 - 教授 - 福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院