生物醫學光譜學

生物醫學光譜學(Biomedical spectroscopy)是綜合生物、醫學科學和光譜學（主要指分子光譜學範疇）的理論和方法而發展起來的交叉學科，主要目的是通過利用各種光譜技術方法，為生物醫學領域的基因、分子、蛋白、組織等各種對象提供快速、無損、非標記的檢測，同時利用光譜數據獲得的綜合信息開展物質分子成分的定性、定量檢測，相關疾病的光譜診斷及人體健康狀況綜合檢測與評估。

基本介紹

• 中文名：生物醫學光譜學
• 外文名：Biomedical spectroscopy

研究內容及研究方法

光譜學的研究歸根結底是基於光與物質相互作用的原理，生物醫學光譜學研究內容主要利用各種光與物質作用時所產生的作用現象，通過對一系列波長範圍的光與物質作用的觀察和測量，從而實現對物質含量，結構組成等信息的獲取，結合一些數據處理方法，進而實現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

分子在吸收光能後產生價電子，價電子在不同能級間會發生躍遷，處於穩定狀態的基態分子躍遷到不穩定的高能態就會形成吸收光譜。因而，利用不同物質分子在不同波段的對光的吸收性質，可對無機化合物、有機化合物及生物大分子進行定性和定量的分析檢測，如：DNA定量和酶標儀

2.紅外光譜

紅外光譜是一種分子吸收光譜，在有機物分子中，組成化學鍵或官能團的原子處於不斷振動的狀態，其振動頻率與紅外光的振動頻率相當。用紅外光照射有機物分子時，分子中的化學鍵或官能團可發生振動吸收，不同的化學鍵或官能團吸收頻率不同，在紅外光譜上將處於不同位置，從而可獲得分子中含有何種化學鍵或官能團的信息。目前常用的紅外光譜系統主要為傅立葉變換紅外光譜儀，主要套用於甲狀腺、乳腺、胃腸道等腫瘤組織的診斷研究。

3.螢光光譜

螢光是物質吸收電磁輻射後受到激發，受激發原子或分子在去激發過程中再發射波長與激發輻射波長相同或不同的輻射。螢光光譜是指當螢光物質在固定的激發光源照射後所產生的分子螢光強度隨發射波長變化的關係曲線。它表示在所發射的螢光中各種波長組分的相對強度。螢光光譜包括激發譜和發射譜兩種。螢光光譜在生物醫學中的主要套用有皮膚、鼻咽、胃腸道等腫瘤組織的螢光光譜診斷研究。

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。反射光譜可分為內反射光譜、漫反射光譜、鏡面反射光譜和外反射光譜。生物醫學上的套用主要有漫反射光譜。如人體舌苔的漫反射光譜研究，為中醫症候的深入研究提供可量化的比較參數。

5.拉曼光譜

拉曼散射是由印度科學家C.V.拉曼（Raman）在1928年所發現的光的非彈性散射效應。拉曼散射效應是光子與光學支聲子相互作用的結果。在拉曼譜線中有比激發光波長長和短的成分，把頻率小於入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，頻率大於入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。迄今為止，拉曼光譜已經套用於各種生物醫學組織的體內和體外檢測，如用於各種癌的早期診斷、藥物與組織作用的檢測以及人體體液中重要物質分子含量的非標記檢測。

套用與發展前景

物質成分的定性、定量檢測

主要是利用光與生物分子相互作用時表現出的吸收、透射、散射等行為的改變，進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度信息或光譜頻率改變信息。基於特定物質分子表現的光譜特徵峰，有望為生物醫學中特定（或多種）物質成分含量提供無損、非標記的檢測方法。值得一提的是，目前已有研究人員初步實現基於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據的同時，通過開發、利用更加高效、可靠的光譜數據處理方法，有望為生物組織樣品（尤其是體液樣品）的多物質成分的實時定量檢測提供可能。

人體疾病或健康狀況的檢測

顯然正常和異常的生物細胞、組織、器官，其內部某些物質的生化結構和相對物質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，進而為尋找基於光譜方法的用於區分正常、異常細胞、正常和疾病的組織、器官提供可行性。

將光譜技術套用於人體疾病尤其腫瘤的早期檢測診斷研究已不再新鮮，光譜技術目前已廣泛套用於人體組織內外、組織器官或體液等多模式、多形態的檢測。然而值得一提的是，套用於人體組織疾病診斷的光譜方法研究目前尚處於基礎研究或者臨床前研究階段。基礎研究結果較多，但可成功套用於臨床的技術方法尚未見報導。基於光譜方法的醫學臨床套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：首先與疾病發病機理相對應的物質成分的生化改變尚不明確。另外，人體組織結構成分複雜，不同成分的光譜差異往往較小，而不同組織個體間的差異往往很大，因而使得刻畫、構建正常和疾病組織光譜參數模型存在極大困難。因此，光譜方法在生物醫學的套用除了繼續提高儀器系統的檢測性能外，對光譜數據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據中提取重要的、可靠的光譜數據信息對於推動光譜在生物醫學中的套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、便攜化的發展，在不久的將來有望實現操作簡便、檢測靈敏的可實時反映人體健康狀態的光譜檢測新技術。

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