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拉曼光谱分析技术可以在分子水平上研究物质分子结构和生化组成信息,具有快速、准确、无创(或低创)等优点,已成为临床早期癌症检测和组织病理生理分析的重要工具。近年来,激光技术、光纤探测器件和光电检测技术的发展,不仅极大促进了新型拉曼光谱分析仪器与技术的研发,更进一步扩展了其临床应用的广度和深度,彰显出其独特的科学内涵与应用价值。对临床拉曼光谱分析技术的理论基础进行了阐述,归纳总结了临床快速拉曼光谱分析集成系统设计思路。在此基础上,以作者相关研究工作为例,探讨了拉曼光谱分析技术在临床癌症早期检测与病理分析中的应用特点,为推动相关基础研究及技术创新提供有益参考。
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第
卷
第
期
中
国
激
光
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Februar
y
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国 家 自 然 科 学 基 金
陕 西 省 教 育 厅 科 研
计划
陕西省重大基础研究项目
作者简介
王爽
男
博士
副教授
硕士生导师
主要从事生物医学光子学方面的研究
通信联系人
实时拉曼光谱分析技术及其在临床早期癌症
检测中的应用
王 爽
,
,
西北大学光子学与光子技术研究所
陕西 西安
加拿大
加拿大
摘要
拉曼光谱分析技术可以在分子水平上研究物质分子结构和生化组成信息
具有 快 速
准确
无创
或低 创
等
优点
已成为临床早期癌症检测和组织病理生理分析的重要工具
近年来
激光技 术
光纤 探 测器 件 和光 电 检测 技
术的发展
不仅极大促进了新型拉曼光谱分析仪器与技术的研发
更进一步扩展了 其 临床 应 用的 广 度和 深 度
彰显
出其独特的科学内涵与应用价值
对临床拉曼光谱分析技术的理论基础进行了阐 述
归纳 总 结了 临 床快 速 拉曼 光
谱分析集成系统设计思路
在此基础上
以作者相关研 究 工 作 为 例
探 讨 了 拉 曼 光 谱 分 析 技 术 在 临 床 癌 症 早 期 检
测与病理分析中的应用特点
为推动相关基础研究及技术创新提供有益参考
关键词
医用光学
拉曼光谱
早期癌症诊断
临床检测仪器
皮肤癌
肺癌
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
RealGTime
invivo
RamanS
p
ectrosco
py
andItsClinicalA
pp
lications
inEarl
y
CancerDetection
Instituteo
f
PhotonicsandPhotonGTechnolo
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NorthwestUniversit
y
Xi′an
Shaanxi
China
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UnitGInte
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rativeOncolo
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De
p
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BCCancerA
g
enc
y
ResearchCentre
Vancouver
BritishColumbia
Canada
PhotomedicineInstitute
De
p
artmento
f
Dermatolo
gy
andSkinScience
Universit
y
o
f
BritishColumbia
Vancouver
BritishColumbia
Canada
Abstract
中
国
激
光
invivo
Ke
y
words
OCIScodes
引
言
作为 生 命 科 学 与 光 学 相 互 交 叉
相互渗透的新
兴学科
生物医学光 子学的 研 究内容 是 光与生 物 组
织之间的相互作用
包括 光 在生物 组 织中的 运 动学
如传播
和动力学
如探测
问题
当光与生物组织
相互作用时
发生反 射
吸收
荧光
散射
包括 弹 性
散射与拉曼散射
等光 学 效应和 现 象
通过 记 录并
对这些光学现象进行分析
在微观领域
可从分子水
平来理解疾病
更好 地 对抗疾 病
预防 疾 病
在宏 观
领域
可实现重大 恶 性疾病 的 早期诊 断
早期 治 疗
避免病情恶化
拉曼光谱分析技术作为一种快速
定量
无损的
光学检测方法
可以 获得丰 富 的分子 结 构特征 和 物
质组成信息
在生物 医学基 础 研究与 临 床重大 疾 病
早期诊断应用中具有与其他光学方法不同的独特优
势
主要包括
可以 实 现生物 组 织 无 接 触
无
损伤光谱测量
能在分 子 水平上 快 速研究 物 质构
成与结构
样品无需制备
能够在活体组织
细胞
上无标记检测
特别适 合 含水量 较 大的生 物 组织
振动光谱信息的检测分析
结合内窥镜
显微镜等
光学装置
具有广泛的临床应用前景
本文首先对光与生物组织相互作用及拉曼散射
效应机理进行简要 概 述
其次 概 述了临 床 快速拉 曼
光谱分析集成系统 的 构成及 其 数据分 析 方法
并以
作者自身相关研究 工 作进展 为 例
阐述 了 拉曼光 谱
分析技术在临床癌 症 早期检 测
病理 特 性分析 中 的
应用
理论基础
如图
所示
当一束光入射到组织表面时
由于
组织折射率与周围介 质
空气
折射 率 不匹配
在入
射表面同时发生镜面反射与透射
透射进入组织内
部的大部分光子
会被散射和吸收
产生不同类型的
光学效应
当光子 在 组织内 部 传输时
一部 分 光子
经历多次散射后 溢出组 织 表面
发生 漫 反射
生物
分子吸收光子能量 后
可由 基 态跃迁 至 第一或 第 二
电子激发态中各个 不 同振动 能 级和转 动 能级
处于
激发态的分子以无辐射弛豫的形式降至第一电子激
发态的最低振动能 级
然后 再 由此最 低 振动能 级 以
辐射弛豫的 形 式 跃 迁 至 基 态 中 各 个 不 同 的 振 动 能
级
产生荧光现象
当光子被生物分子散射时
除
了与入射 光 频 率 相 同 的 弹 性 散 射 成 分
瑞 利 散 射
外
还存在一系列波长发生变化的非弹性散射成分
即拉曼散射
这些光与生物组织相互作用后所产生
的光 学 现 象
可 以 单 独
联 合 用 于 提 取 生 物 组 织 形
貌
结构与生化组成特性
图
光与生物组织相互作用原理示意图
以光在肺组织内的传输为例
当入射光子与分子发生非弹性碰撞
拉曼散射
时
光子与分子之间发生能量交换
不仅光子运动方
向发生改变
同时光子转移一部分能量给散射分子
转变为分子振动或 转 动能量
或者 从 散射分 子 吸收
一部分能量
导致光子波长
频率发生改变
光子得
到能量的过程对应于波长减小
频率增大
的反斯托
克斯拉曼散射
光子 失去能 量 的过程 对 应于波 长 增
大
频率减小
的斯托克斯拉曼散射
由其量子能级
图
图
可 以 看 出
斯 托 克 斯 和 反 斯 托 克 斯 与 瑞
利线之间的能量差分别为
h
ν
ν
hν
h
ν
和
h
ν
ν
hν
h
ν
h
为普朗克常数
ν
为
激发光频率
ν
为拉曼频移
数值相等
符号相反
表 明 两 种 拉 曼 散 射 光 谱 对 称 分 布 于 瑞 利 线 两
侧
反斯托克斯谱线强度比斯托克斯谱线强度
小
原因在于反斯托 克斯拉 曼 散射的 初 始态能 级 位
中
国
激
光
于振动激发态
根据 玻 尔兹曼 分 布
在通 常 情况下
振动激发态电子分布数小于 基 态 分 布 数
此外
从图
还可看出
h
ν
E
n
E
与近红外吸收光谱
能级差相同
拉曼散 射频移 与 近红外 吸 收峰位 置 相
互对 应
并 且
对 于 同 一 分 子
其 分 子 振 动 能 级 差
E
n
E
不变
因此
不管激发光频率
ν
如何选择
拉曼频移
ν
即散射光相对于激发光波数的差值保
持不变
只与分子振动能级之间的跃迁相关
图
拉曼散射原理示意图
根据拉曼散射 原 理可知
拉曼 频 移与物 质 分子
的振动和转动能级有关
不同物质有不同振动和转
动能级
因而有不同的拉曼频移
因此
拉曼频移是
表征物质分子振动
转动能级特性的一个物理量
也
是利用拉曼光谱进行物质分子结构分析的依据
拉曼光谱图中含有 丰 富的分 子 指纹信 息
可以 通 过
拉曼峰频移的位置 分 析物质 生 化组成 特 性
根据 拉
曼峰位改变确定样品张力
应力
根据拉曼散射光的
偏振特性
分析晶体的对称性及其取向
根据拉曼峰
的半峰全宽量化评 价 晶体质 量
在激 发 光功率 一 定
的条件下
拉曼谱峰 强度与 样 品内部 生 化分子 浓 度
之间存在正比关 系
与其 他 光谱分 析 技术相 比
拉
曼光谱分析技术应 用 于生物 医 学检测
除了 具 有非
侵入
无损伤和特异性高等特点外
通过对比正常与
病变组织的拉曼光 谱 信息
在如 实 反映组 织 生化组
成的基础上
不但可 以用于 探 讨疾病 发 生与治 疗 机
制
而且更易实现临 床重大 恶 性疾病 的 早期量 化 诊
断
仪器系统及数据分析方法
31
常用光学装置
激光光源是拉曼光谱仪的重要组成部分
由于
其单色性好
激光 是 最佳的 拉 曼激发 光 源
临床 快
速拉曼光谱分析集 成 系统所 用 激光光 源
在保 证 输
出 波 长 与 功 率 稳 定 的 前 提 下
光 谱 线 宽 需 优 于
输 出 功 率 最 低 为
这样的光谱线宽保证了激发光谱线在频域空间内不
会对瑞利线附近的 拉 曼光谱 信 息产生 影 响
并可 有
效提高光谱分辨率
同时
为了 实 现 激 光 柔 性 传
输
使其更适用于临床应用环境
需要对激光进行光
学处理并耦合进入 光 纤
耦合 过 程中激 光 聚焦光 斑
尺寸需小于光纤芯径
发散角小于光纤孔径角
以满
足光纤传输全反 射条件
根据 经 典电磁 场 理论
一
定激光功率条件下
拉曼 散 射光强 度 除了与 分 子散
射截面积成正比外
还与 激 发光波 长 的四次 方 成反
比
因此
选择合适 波长的 激 光用于 活 体生物 组 织
光谱激发
对于临 床 光谱分 析 测量尤 其 重要
紫外
光照射会引起组织 光 化学损 伤
可见 光 照射会 激 发
强烈的组织自体荧光
因此
临床拉曼光谱分析装置
常使用近红外光作为激发光
相比于紫外光与可见
光
近红外光具有更为优越的组织穿透性
从而可实
现更大区域内组 织光谱 的 激发
而且
低功 率 近红
外光能产生较少的组织光化学损伤与自体荧光
常用 近 红 外 激 发 光 波 长 为
和
激光条 件 下
结 合 近 红 外 波 段 优 化
探
测器
光谱探 测范 围 可 至
临 床 上 也 常
采用
激光作为激发光源
达到进一步减弱
样品荧光背景的 目的
在此 波 长条件 下
由于 波 长
增加以及现有仪器 性 能限制
需要 根 据具体 应 用条
件增大激光输出功率或相应延长光谱测量时间
相比于固体激光器
气体激光器
等激光器
近红外半导体激光器以其转换效率高
寿命长
结构
紧凑
可靠性高等特点
在临床拉曼光谱检测分析中
得到了广泛应用
光纤 直 径 仅 有 数 百 微 米
并具有良好的机械灵
活性
它不仅能够有 效地将 激 发光能 量 传输到 探 测
区域
并且能够收集 反 射
荧光 和 拉曼光 谱 信息
特
别适合于管
腔器 官 早期癌 症 检测
不同 种 类
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