光聲光譜技術(shù)在醫(yī)學中的應用

光聲光譜技術(shù)在醫(yī)學中的應用
摘要：先聲光譜【PAs]技術(shù)是一種研究物質(zhì)吸收光譜的新技術(shù)�？勺鳛獒t(yī)學領(lǐng)域研究的一種新的有力分析工具。其技術(shù)特 點為醫(yī)學樣品的研究提供了一種是敏，可不經(jīng)預處理而兄無損樣品的有效檢蕾4方法。奉文簡進了先聲先I；．技術(shù)的基奉原 理、實驗方法廈其在醫(yī)學領(lǐng)域中應用的優(yōu)點。介紹了先聲光譜技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域研究中的應用蕊進展情鞏。
酋育：光聲光譜拄術(shù)是一種研究物質(zhì)吸收光譜的新技術(shù)， 它已成為分子光譜學的一個重要分支。現(xiàn)在已廣泛地應用于物 理、化學、生物、醫(yī)學，化工、環(huán)境保護，材料科學等領(lǐng)域，成為科 學研究中十分重要的檢驗和分析手段“I，是當前國際上結(jié)構(gòu)和 成分分析最為令人注目的領(lǐng)域之一。
在醫(yī)學領(lǐng)域的研究中，光聲光譜技術(shù)表現(xiàn)出一些傳統(tǒng)透射 光譜法和反射光譜法所不及的獨特優(yōu)點 ① 普適性強．對固 體，液體和氣體樣品都適用 (如：人體組織、骨胳、血棱、體棱 等)；( 可以不受教測樣品的形狀及形態(tài)的限制，各種樣品可 不經(jīng)預處理，就可直接進行測量．不但操作簡便．更重要的是保 持樣品的自然狀態(tài)，是一種無損檢測的有效方法 ；( 樣品用 量少，只用毫克數(shù)量級的樣品就可以獲得各種形態(tài)化合鈞的電 子吸收光譜信息和振動光譜信息 ；④ 檢測靈敏度高．檢測的 波譜范圍寬(10 nm至幾毫米的波長)；@ 可以進行活體和剖 面深度的斷層分析，是唯一可用來檢測樣品剖面吸收光譜的方 法 。由于光聲光譜技術(shù)其獨特的性質(zhì)，因此，該技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng) 域的應用越來越引人注目。近年來，不步科學家研究了生物大 分子、酶類、細胞、微生物 、器官與組織、血液 的光聲光譜圖。 并且，通過動物和人體組織及血液的研究，能找出組織病理和 痍病之間的內(nèi)在聯(lián)系，為早期診斷痍病(包括癌變)提供有價值 的臨床診斷工具測厚儀| 測速儀| 轉(zhuǎn)速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器|I

l 光聲光譜技術(shù)的基本理論及實驗裝置 用一定頻率調(diào)制的光源(或脈沖光源)照射物質(zhì)．物質(zhì)分子 吸收一定光能后．由受激態(tài)通過非輻射過程躍遷到低能態(tài)時． 產(chǎn)生局頦的聲波(光聲信號)．這一現(xiàn)象稱為光聲效應。光聲光 譜技術(shù)就是在物質(zhì)的光聲效應基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種檢測技 術(shù)，它研究物質(zhì)的光聲信號隨人射光波長變化的譜線，這譜線 稱為光聲光譜。光聲信號的產(chǎn)生和檢測過程是一個光、熱、聲、 電的能量轉(zhuǎn)移過程。光聲光譜和其它光譜一樣反映了物質(zhì)與光 相互作用的特性．它能反映物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分含量的情況 ， 能提供物質(zhì)內(nèi)部的熱學、聲學和光學方面信息。光聲光譜是傳 統(tǒng)光譜的一種有力補充。傳統(tǒng)光譜方法排豫了對巳被吸收、湮 沒的那些光子的檢測分析．這些被排除了的物理過程往往是研 究者十分感興趣的。光聲光譜就是對傳統(tǒng)光譜在這些過程方面 的一個補充。它與傳統(tǒng)光譜技術(shù)的主要區(qū)別在它的檢測方法。 不是直接對人射物質(zhì)后出射的某些光子的檢測，而是對光束與 物質(zhì)相互作用所吸收的姥量的測量01。光聲光譜的波長范圍很 竟，從紫外區(qū)經(jīng)可見區(qū)一直到紅外區(qū)。

光聲光譜儀主要由光源、斬波器、光聲弛、聲敏元件、放大 器、信號處理系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)等組成。不臂樣品的形態(tài)如何(氣 體、棱體、固體)．所使用儀器的基本構(gòu)造相同。其基車構(gòu)造如圖 l所示q。從光源發(fā)出的光用斬波器詞制成斯續(xù)光(調(diào)制光)(說 明：為得到斷續(xù)光．也可以直接用棘沖光源)．照刊光聲池上．光 聲池內(nèi)的樣品吸收了斯續(xù)光，便產(chǎn)生光聲信號。此信號用檄音 器或壓電器件等敏感元件檢測。檢測到的信號經(jīng)過放大后，由 鎖相放大器等提高信噪比(S／N)。光聲信號大小與光源強度成 正比，所以，如果光源的強度有波動。則光聲信號的強度也因此 而產(chǎn)生波動。為了避免由于光源波動而造成的測量誤差．可用 射人光聲池的光強度對光聲信號進行歸一化處理。 圈1 單光束光膏光譜忮的構(gòu)遺

2 光聲光譜技術(shù)在醫(yī)學中的應用
2．1對人體器官與組織的研究 應用光聲光譜技術(shù)可以直接研究人的皮膚、肌冉、臟器等 軟組織和骨、牙齒等硬組織。當人體組織發(fā)生病變時．測定病變 前后的光聲光譜，有可能獲得正常組織和病變組織的物理和化 學特征以及它們之間的差異，為研究、診斷疾病提供有價值的 信息I”。 Yu，N． 等 利用光聲光譜技術(shù)，分別對未受損傷的正常人 眼水晶體和具有明顯自內(nèi)障的未受損傷的人眼水晶體進行測 量，得到兩種情況的光聲光譜在280nm處都有特征吸收峰。這 特征吸收峰．主要是由于色氨酸和酪氨酸蛋白質(zhì)殘基對光的吸 收所致。同時．白內(nèi)障水晶體比正常的水晶體在280 nm附近具 有寬得多的吸收帶，而且白內(nèi)障水晶體在紅外區(qū)的吸收也增加 了。研究結(jié)果表明，白內(nèi)障是共軛的色氨酸和酪氮酸化合物 白 內(nèi)障結(jié)構(gòu)不僅削弱了光譜藍端的視覺，實際上也削弱了整個可 見區(qū)的視覺．這時竟的吸收譜帶從紫外到紅外區(qū)穆向可見區(qū) 周藏聲等 利用氤燈作光源的雙光束光聲光譜裝置，溟I量 人體四個部位(胃、子宮、肺、乳腺)的癌變組織和正常組織的光 聲光譜．發(fā)現(xiàn)四種人體癌變組織均在630 nm 附近有吸收峰出 現(xiàn)，而正常組織均無此峰。研究結(jié)果揭示：人體癌變組織在630 nm處出現(xiàn)的吸收峰是反映癌變組織所特有的丹子結(jié)構(gòu)的特征 譜帶。這種特征譜帶可用來作為診斷癌癥的重要依據(jù)，也為激 光治療癌癥提供了有價值的光學資料。圖2給出了人體肺正常 組織和啼癌變組織的離體樣品的光聲光譜 嚏性，啦 圈2 肺正常組織和肺癌變組甥的離體樣晶的光聲光譜 Giese等。山 利用光聲光譜技術(shù)研究具有吸收能力的藥物滲 透皮膚的擴散作用．并報道了用防曬油劑涂在人體皮膚進行光 聲測量，從而確定防曬的功能。 Cross等 ”丹別采用由三種激光渡長(248Iim、308 J1m和 532llm)的激光器構(gòu)成的珊脈沖光聲光譜技術(shù)，研究正常人和 患有動肆粥樣硬化患者的血管組織部分切除手術(shù)的情況，并測 量出切除血管組織的最低能量閾值。 Zharov等㈦為了醫(yī)學臨床診斷設計了激光光聲探針．采用 較低功率的激光器，借用于光導纖維，通過測定膽結(jié)石和腎結(jié) 石的聲學特性(包括測定超聲速率)，從而分析探討結(jié)石的形成 與病因。
2,2對人體血液、體渣的研究 利用光聲光譜技術(shù)，只需一滴全血，不需要經(jīng)過通常的提 取分離步驟，并保持血樣品原來的狀態(tài)，很窖易獲得全血中血 紅蛋白的特旺光聲光譜．口I。通過全血的光聲光譜 ． 能夠明顯地 區(qū)分出健康人和血液病患者之間的光譜差異ft]。 劉政威等” 、郭周義等舊和郭萍等 分別利用光聲光譜技 術(shù)對不同類型(急粒、急單、慢性急變)白血病患者和正常人的 全血進行檢測和丹析、發(fā)現(xiàn)由不同類型的樣品得到的光聲光譜 圖在360nm、420 ntrL、550 nm 和580／lm波長附近的特征峰型 及吸收強度有顯著差異。不僅不同類型白血病患者全血的光聲 光譜與正常人的有顯著差異，而且相互之間的差異也十分明 顯。研究結(jié)果顯示：患者的全血的光聲光譜圖可作為白血病臨 床診斯的依據(jù)。 符運良等” I應用光聲光譜技術(shù)，對住院待產(chǎn)正常孕婦和妊 高缸患者的血液進行了全血光聲光譜研究，發(fā)現(xiàn)妊高征意者的 全血光聲光譜在648．5 nm處出現(xiàn)一個特異峰。如圖3和圖4 所示。研究結(jié)果提示．該特異峰可作為妊高旺診斷的依據(jù)。同 時，他們在妊高征全血光聲光譜的進一步研究中隅，得剜以下 結(jié)論： 妊高旺的特異峰峰度隨著妊高征病情的發(fā)展而變化。 妊高征嚴重時峰度高，產(chǎn)后(術(shù)后)峰度消失；②在產(chǎn)前診斷 中，全血光聲光譜出現(xiàn)特異峰的孕婦，在住院待產(chǎn)期聞．多發(fā)展 為妊高征。而全血光聲光譜無特異峰的孕婦，在住院持產(chǎn)期間， 較少發(fā)展為妊高征。 田，4 妊矗征毫者壘血的光聲光譜 郭曉葵等 啦用光聲光譜技術(shù)檢測了胃病患者的胃液。結(jié) 果發(fā)現(xiàn)，慢性胃炎、胃潰瘸胃液的光聲光譜與正常人的無明顯 差異c而胃癌胃液的光聲光譜在370 nllfl處有一個特征性的吸 收峰．該峰可作為胃癌的臨床診斷依據(jù)。 此外．虞美云等m利用光聲光譜儀分別對不同結(jié)構(gòu)的磁化 杯中的水和普通杯中的水進行測量，從而得到的光聲光譜圖可 明顯反映出不同杯中承的構(gòu)象情況，進而能分析不同磁化杯的 磁化水磁化的效果情況。
23 對細菌、寄生蟲的研究 利用光聲光譜技術(shù)是可以鑒別細營狀態(tài)的 。雖然傳統(tǒng)的 光散射法可用來監(jiān)視各種基質(zhì)上細菌繁殖情況，但強的光散射 卻使獲得細菌的光譜資料有很大的困難，園而對細菌也難以鑒 別。但光聲光譜技術(shù)卻十分適合于研究細菌樣品。枯草桿菌黑 色變種是空氣中一種常見的細菌，對處于孢子狀態(tài)的這種細 菌．其光聲光譜在41Onto處有一十強吸收帶 。當細菌處于生 長狀態(tài)時，這十吸收帶就消失了。園而光聲光譜技術(shù)能檢測和 區(qū)別不同的細菌狀態(tài)，使我們能監(jiān)視和梗j定處于各種發(fā)展階殷 的細菌。 Balasubramanian等閨曾有效地用光聲光譜技術(shù)檢測了傳 播瘧疾的寄生蟲．即瘧原蟲。這種寄生蟲感染到紅細胞上 ， 使細 胞代謝所需要的血紅蛋白發(fā)生降解。而殘留的高鐵原卟啉I)( (簡稱FP)-接多價整合而無毒的形式儲存在它的自體吞噬泡 中，被稱為瘧原蟲色素。它類似于高鐵原卟啉Ⅸ (FP)與寄生蟲 蛋白質(zhì)結(jié)合的螯合物。因此，瘧原蟲色素的光聲光譜明顯地類 似于單體高鐵原卟啉1x的光譜。當引入氯奎寧這類抗瘧藥物 時，F(xiàn)P與氯奎寧結(jié)合形成nL氯奎寧的螯音物。井促茛瘧原蟲 中國醫(yī)學物理學雜志 第l9卷第l期20o2年1月 死亡。因此，他們通過光聲光譜的測定情況，有效地研究抗瘧藥 物的教用。
2．4 光冉免疫涪 tamor~，Sawada等聊在研究乳濁渡顆粒大小與光聲信號 的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)，當粒子直徑大小與人射激光波長相接近時，光 聲信號靈敬度會發(fā)生成倍增強的共振現(xiàn)象。他們結(jié)臺生物的免 疫反應提出了光聲免疫法。其靈敏度可比常規(guī)的濁度免疫法至 少高出三十數(shù)量級，且比放射免疫法和酶免疫法亦高出一、二 十數(shù)量級。而且它又不需要使用具有危害性的放射性接素．且 其免疫反應和光聲測定僅花幾分鐘就可以完成。這種新型的醫(yī) 學免疫診斷方法，有可能用于癌癥的診斷上 。

3 結(jié)束語 光聲光譜技術(shù)由于具有一系列獨特的優(yōu)點，周此在醫(yī)學領(lǐng) 域中的應用范圍是很廣泛的，其應用前景也是十分誘人的。目 前，該技術(shù)應用于生物太分子、酶類、細胞(異形細胞)、微生物、 器官與組織、血液與體液的光聲光譜圍研究，以及應用于細菌 繁殖過程、藥物臺成和滲透、光聲免疫反應、低溫生物效應、生 物分子的光致?lián)p傷、光活性光譜、細胞分裂時的形態(tài)變異和生 物新陳代謝的話體產(chǎn)物等方面的研究，是醫(yī)學界很感興趣的研 究課題。光聲光譜技術(shù)仍屬于發(fā)展中的新技術(shù)，隨著它的不斷 完善和發(fā)展，可以預計，在不遠的將來，它將成為醫(yī)學領(lǐng)域中常 規(guī)的研究和分析工具。