生物样品中拉曼光谱检测方案(激光拉曼光谱)

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拉曼光谱在生物医学中的应用 一、研究背景 当光与生物组织相互作用时，发生反射、吸收、荧光、散射(弹性散射与非弹性散射)等光学效应和现象。当入射光子与分子发生非弹性碰撞时，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。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的生化组成特性。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。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。 二、材料与设备 测试材料来自某医院随机抽取20例结石样品(为保护患者隐私， 不做标记)，采用 Portman1064 进行测试。 图1实验样品图 图2拉曼光谱采集 三、结石拉曼光谱分析 图314例结石拉曼光谱 ○ 像素(Pixel)○波长(nm) ○波数(cm-1)◎拉曼位移(cm-1) 图43例结石拉曼光谱 图53例结石拉曼光谱 影响结石形成及复发的因素很多，且其发病机制尚不明确，多数研究表明结石的形成可能与遗传基因、性别、年龄、种族、气候环境、饮食结构及饮水习惯等因素相关。如何更安全有效的清除结石、寻找结石的相关诱发因素以及尽量延缓结石的复发成为临床医师不断探索的重要目标。采集20例结石样品的拉曼光谱，通过与标准谱库对比，可知14例(图3)结石是草酸钙，3例(图4)结石是磷酸钙，3例(图5)结石是尿酸。说明通过拉曼光谱测试，，可达到鉴别诊断的目的，为临床尿液结晶的筛选、诊断创造出一种新方法。 四、皮肤拉曼光谱分析 图6皮肤组织拉曼光谱 皮肤是人体最大的器官，位于身体最外层，对人体有保护作用，但长期紫外线照射会导致皮肤癌变。皮肤癌主要包括恶性黑色素瘤和非黑色素皮肤癌，后者主要包括基底细胞癌和鳞状细胞癌。临床拉曼光谱测量过程中，手持式光谱探头垂直于组织/病灶表面接收拉曼信号，-一般而言，每个可疑病灶测量1次，但对于形态不均匀的病灶，在其内部不同位置分别测量3次。此外，同时测量病灶附近5cm范围的正常皮肤组织光谱信息作为参考。图6是我们理化同事自测的数据，拉曼光谱可以提供皮肤的拉曼特征峰信息，能够从峰位、峰值等光谱特征分析组织的生化组成与结构特征。对大量拉曼光谱数据进行分析，结合一定的数据统计方法，处理多组拉曼光谱数据，更易获得不同类型生物组织差异化光谱特征。 五、Portman1064 便携式拉曼光谱仪 PR1064 是一款便携式高灵敏度高信噪比制冷的拉曼光谱仪，其内部采用 InGaAs 阵列探测器，并采用色散型的光学设计，提高了探测器的灵敏度，让仪器具备了捕捉微弱拉曼信号的能力。 相比于785nm、532nm拉曼光谱仪，1064nm 对于组织等生物样品的破坏性更小，避开了玻璃、生物组织等很多物质的荧光发射区域，对于很多被测物质具备低荧光背景优势。1064nm 相对于可见段的532nm、785nm具备更好的穿透性，可以穿透棕色玻璃瓶、白色塑料包装以及纸等包装材料。 产品特点 规避荧光 透射光栅 高穿透性 深度制冷 高灵敏度 规格参数 产品型号 PR1064 光谱范围 200-3000cm-1 波长分辨 率 ~15cm @25um slit 信噪比 15000：1 暗噪声 ~60 RMS 组配件清单 选配件清单 类别 规格型号 数量 选择 便携式拉曼光谱仪 主机 PR1064 1台 必选 电源适配器 配件 5V/2A 1个 必选 USB 连接线 配件 USB A-MicroUSB 1根 必选 注：：以上规格为标准配置，可根据客户具体需求，提供定制产品。 参考文献 Ball D W Theory of Raman spectroscopy [J].Spectroscopy，2001，16(11)：32-34 Patit C A，Pence I J， Lieber C A，et al.1064 nm dispersive Ramanspectroscopy of tissueswit1h stronrg near-infraredautofluorescence[J].Optics Letters， 2014，39(2)：303-306. 拉曼光谱在生物医学中的应用一、研究背景当光与生物组织相互作用时，发生反射、吸收、荧光、散射（弹性散射与非弹性散射）等光学效应和现象。当入射光子与分子发生非弹性碰撞时，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。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的生化组成特性。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。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。二、材料与设备测试材料来自某医院随机抽取20例结石样品（为保护患者隐私，不做标记），采用Portman1064进行测试。图1 实验样品图图2 拉曼光谱采集三、结石拉曼光谱分析   图3 14例结石拉曼光谱图4 3例结石拉曼光谱图5 3例结石拉曼光谱影响结石形成及复发的因素很多，且其发病机制尚不明确，多数研究表明结石的形成可能与遗传基因、性别、年龄、种族、气候环境、饮食结构及饮水习惯等因素相关。如何更安全有效的清除结石、寻找结石的相关诱发因素以及尽量延缓结石的复发成为临床医师不断探索的重要目标。采集20例结石样品的拉曼光谱，通过与标准谱库对比，可知14例（图3）结石是草酸钙，3例（图4）结石是磷酸钙，3例（图5）结石是尿酸。说明通过拉曼光谱测试，可达到鉴别诊断的目的，为临床尿液结晶的筛选、诊断创造出一种新方法。四、皮肤拉曼光谱分析图6皮肤组织拉曼光谱皮肤是人体最大的器官，位于身体最外层，对人体有保护作用，但长期紫外线照射会导致皮肤癌变。皮肤癌主要包括恶性黑色素瘤和非黑色素皮肤癌，后者主要包括基底细胞癌和鳞状细胞癌。临床拉曼光谱测量过程中，手持式光谱探头垂直于组织／病灶表面接收拉曼信号，一般而言，每个可疑病灶测量１次，但对于形态不均匀的病灶，在其内部不同位置分别测量３次。此外，同时测量病灶附近５ｃｍ范围的正常皮肤组织光谱信息作为参考。图6是我们理化同事自测的数据，拉曼光谱可以提供皮肤的拉曼特征峰信息，能够从峰位、峰值等光谱特征分析组织的生化组成与结构特征。对大量拉曼光谱数据进行分析，结合一定的数据统计方法，处理多组拉曼光谱数据，更易获得不同类型生物组织差异化光谱特征。五、Portman1064便携式拉曼光谱仪PR1064是一款便携式高灵敏度高信噪比制冷的拉曼光谱仪，其内部采用InGaAs阵列探测器，并采用色散型的光学设计，提高了探测器的灵敏度，让仪器具备了捕捉微弱拉曼信号的能力。相比于785nm、532nm拉曼光谱仪，1064nm对于组织等生物样品的破坏性更小，避开了玻璃、生物组织等很多物质的荧光发射区域，对于很多被测物质具备低荧光背景优势。1064nm相对于可见段的532nm、785nm具备更好的穿透性，可以穿透棕色玻璃瓶、白色塑料包装以及纸等包装材料。产品特点规避荧光透射光栅高穿透性深度制冷高灵敏度规格参数产品型号PR1064光谱范围200-3000cm-1波长分辨率~15cm-1@25μm slit信噪比15000:1暗噪声~60 RMS组配件清单选配件清单类别规格型号数量选择便携式拉曼光谱仪主机PR10641台必选电源适配器配件5V/2A1个必选USB连接线配件USB A-Micro USB1根必选 注：以上规格为标准配置，可根据客户具体需求，提供定制产品。参考文献Ball D W Theory of Raman spectroscopy [J].Spectroscopy,2001,16(11)：32-34Patit C A,Pence I J, Lieber C A,et al.1064 nm dispersive Raman spectroscopy of tissues with strong near-infrared autofluorescence [J].Optics Letters, 2014 , 39(2): 303-306.