光聲光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

光聲光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)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)。可作為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的一種新的有力分析工具。其技術(shù)特 點(diǎn)為醫(yī)學(xué)樣品的研究提供了一種是敏，可不經(jīng)預(yù)處理而兄無(wú)損樣品的有效檢蕾4方法。奉文簡(jiǎn)進(jìn)了先聲先I；．技術(shù)的基奉原 理、實(shí)驗(yàn)方法廈其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。介紹了先聲光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究中的應(yīng)用蕊進(jìn)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(xué)的一個(gè)重要分支�，F(xiàn)在已廣泛地應(yīng)用于物 理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)，化工、環(huán)境保護(hù)，材料科學(xué)等領(lǐng)域，成為科 學(xué)研究中十分重要的檢驗(yàn)和分析手段“I，是當(dāng)前國(guó)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(xué)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(dú)特優(yōu)點(diǎn) ① 普適性強(qiáng)．對(duì)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(cè)樣品的形狀及形態(tài)的限制，各種樣品可 不經(jīng)預(yù)處理，就可直接進(jìn)行測(cè)量．不但操作簡(jiǎn)便．更重要的是保 持樣品的自然狀態(tài)，是一種無(wú)損檢測(cè)的有效方法 ；( 樣品用 量少，只用毫克數(shù)量級(jí)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(dòng)光譜信息 ；④ 檢測(cè)靈敏度高．檢測(cè)的 波譜范圍寬(10 nm至幾毫米的波長(zhǎng))；@ 可以進(jìn)行活體和剖 面深度的斷層分析，是唯一可用來(lái)檢測(cè)樣品剖面吸收光譜的方 法 。由于光聲光譜技術(shù)其獨(dú)特的性質(zhì)，因此，該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域的應(yīng)用越來(lái)越引人注目。近年來(lái)，不步科學(xué)家研究了生物大 分子、酶類、細(xì)胞、微生物 、器官與組織、血液 的光聲光譜圖。 并且，通過(guò)動(dòng)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(jià)值 的臨床診斷工具測(cè)厚儀| 測(cè)速儀| 轉(zhuǎn)速表| 壓力表| 壓力計(jì)| 真空表| 硬度計(jì)| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測(cè)高儀| 測(cè)距儀| 金屬探測(cè)器|I

l 光聲光譜技術(shù)的基本理論及實(shí)驗(yàn)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(guò)非輻射過(guò)程躍遷到低能態(tài)時(shí)． 產(chǎn)生局頦的聲波(光聲信號(hào))．這一現(xiàn)象稱為光聲效應(yīng)。光聲光 譜技術(shù)就是在物質(zhì)的光聲效應(yīng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種檢測(cè)技 術(shù)，它研究物質(zhì)的光聲信號(hào)隨人射光波長(zhǎng)變化的譜線，這譜線 稱為光聲光譜。光聲信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)過(guò)程是一個(gè)光、熱、聲、 電的能量轉(zhuǎn)移過(guò)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(xué)、聲學(xué)和光學(xué)方面信息。光聲光譜是傳 統(tǒng)光譜的一種有力補(bǔ)充。傳統(tǒng)光譜方法排豫了對(duì)巳被吸收、湮 沒(méi)的那些光子的檢測(cè)分析．這些被排除了的物理過(guò)程往往是研 究者十分感興趣的。光聲光譜就是對(duì)傳統(tǒng)光譜在這些過(guò)程方面 的一個(gè)補(bǔ)充。它與傳統(tǒng)光譜技術(shù)的主要區(qū)別在它的檢測(cè)方法。 不是直接對(duì)人射物質(zhì)后出射的某些光子的檢測(cè)，而是對(duì)光束與 物質(zhì)相互作用所吸收的姥量的測(cè)量01。光聲光譜的波長(zhǎng)范圍很 竟，從紫外區(qū)經(jīng)可見(jiàn)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(hào)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(chē)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(shuō) 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(hào)。此信號(hào)用檄音 器或壓電器件等敏感元件檢測(cè)。檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，由 鎖相放大器等提高信噪比(S／N)。光聲信號(hào)大小與光源強(qiáng)度成 正比，所以，如果光源的強(qiáng)度有波動(dòng)。則光聲信號(hào)的強(qiáng)度也因此 而產(chǎn)生波動(dòng)。為了避免由于光源波動(dòng)而造成的測(cè)量誤差．可用 射人光聲池的光強(qiáng)度對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)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(xué)中的應(yīng)用
2．1對(duì)人體器官與組織的研究 應(yīng)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(dāng)人體組織發(fā)生病變時(shí)．測(cè)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(xué)特征以及它們之間的差異，為研究、診斷疾病提供有價(jià)值的 信息I”。 Yu，N． 等 利用光聲光譜技術(shù)，分別對(duì)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(jìn)行測(cè) 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(duì)光的吸 收所致。同時(shí)．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(lán)端的視覺(jué)，實(shí)際上也削弱了整個(gè)可 見(jiàn)區(qū)的視覺(jué)．這時(shí)竟的吸收譜帶從紫外到紅外區(qū)穆向可見(jiàn)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(gè)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(wú)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(lái)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(jià)值的光學(xué)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(kuò)散作用．并報(bào)道了用防曬油劑涂在人體皮膚進(jìn)行光 聲測(cè)量，從而確定防曬的功能。 Cross等 ”丹別采用由三種激光渡長(zhǎng)(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(dòng)肆粥樣硬化患者的血管組織部分切除手術(shù)的情況，并測(cè) 量出切除血管組織的最低能量閾值。 Zharov等㈦為了醫(yī)學(xué)臨床診斷設(shè)計(jì)了激光光聲探針．采用 較低功率的激光器，借用于光導(dǎo)纖維，通過(guò)測(cè)定膽結(jié)石和腎結(jié) 石的聲學(xué)特性(包括測(cè)定超聲速率)，從而分析探討結(jié)石的形成 與病因。
2,2對(duì)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(guò)通常的提 取分離步驟，并保持血樣品原來(lái)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(guò)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(duì)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(jìn)行檢測(cè)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(zhǎng)附近的特征峰型 及吸收強(qiáng)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(yùn)良等” I應(yīng)用光聲光譜技術(shù)，對(duì)住院待產(chǎn)正常孕婦和妊 高缸患者的血液進(jìn)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(gè)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(shí)，他們?cè)谌迅哒魅�血光聲光譜的進(jìn)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(yán)重時(shí)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(wú)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(cè)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(wú)明顯 差異c而胃癌胃液的光聲光譜在370 nllfl處有一個(gè)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(duì)不同結(jié)構(gòu)的磁化 杯中的水和普通杯中的水進(jìn)行測(cè)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(jìn)而能分析不同磁化杯的 磁化水磁化的效果情況。
23 對(duì)細(xì)菌、寄生蟲(chóng)的研究 利用光聲光譜技術(shù)是可以鑒別細(xì)營(yíng)狀態(tài)的 。雖然傳統(tǒng)的 光散射法可用來(lái)監(jiān)視各種基質(zhì)上細(xì)菌繁殖情況，但強(qiáng)的光散射 卻使獲得細(xì)菌的光譜資料有很大的困難，園而對(duì)細(xì)菌也難以鑒 別。但光聲光譜技術(shù)卻十分適合于研究細(xì)菌樣品�？莶輻U菌黑 色變種是空氣中一種常見(jiàn)的細(xì)菌，對(duì)處于孢子狀態(tài)的這種細(xì) 菌．其光聲光譜在41Onto處有一十強(qiáng)吸收帶 。當(dāng)細(xì)菌處于生 長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，這十吸收帶就消失了。園而光聲光譜技術(shù)能檢測(cè)和 區(qū)別不同的細(xì)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(xì)菌。 Balasubramanian等閨曾有效地用光聲光譜技術(shù)檢測(cè)了傳 播瘧疾的寄生蟲(chóng)．即瘧原蟲(chóng)。這種寄生蟲(chóng)感染到紅細(xì)胞上 ， 使細(xì) 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(jiǎn)稱FP)-接多價(jià)整合而無(wú)毒的形式儲(chǔ)存在它的自體吞噬泡 中，被稱為瘧原蟲(chóng)色素。它類似于高鐵原卟啉Ⅸ (FP)與寄生蟲(chóng) 蛋白質(zhì)結(jié)合的螯合物。因此，瘧原蟲(chóng)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(dāng)引入氯奎寧這類抗瘧藥物 時(shí)，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(chóng) 中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志 第l9卷第l期20o2年1月 死亡。因此，他們通過(guò)光聲光譜的測(cè)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(hào) 的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒子直徑大小與人射激光波長(zhǎng)相接近時(shí)，光 聲信號(hào)靈敬度會(huì)發(fā)生成倍增強(qiáng)的共振現(xiàn)象。他們結(jié)臺(tái)生物的免 疫反應(yīng)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?dāng)?shù)量級(jí)，且比放射免疫法和酶免疫法亦高出一、二 十?dāng)?shù)量級(jí)。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(yīng)和光聲測(cè)定僅花幾分鐘就可以完成。這種新型的醫(yī) 學(xué)免疫診斷方法，有可能用于癌癥的診斷上 。

3 結(jié)束語(yǔ) 光聲光譜技術(shù)由于具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，周此在醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域中的應(yīng)用范圍是很廣泛的，其應(yīng)用前景也是十分誘人的。目 前，該技術(shù)應(yīng)用于生物太分子、酶類、細(xì)胞(異形細(xì)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(yīng)用于細(xì)菌 繁殖過(guò)程、藥物臺(tái)成和滲透、光聲免疫反應(yīng)、低溫生物效應(yīng)、生 物分子的光致?lián)p傷、光活性光譜、細(xì)胞分裂時(shí)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(xué)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(yù)計(jì)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，它將成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中常 規(guī)的研究和分析工具。