光聲光譜技術(shù)在醫學(xué)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)為醫學(xué)樣品的研究提供了一種是敏，可不經(jīng)預處理而兄無(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)驗方法廈其在醫學(xué)領(lǐng)域中應用的優(yōu)點(diǎn)。介紹了先聲光譜技術(shù)在醫學(xué)領(lǐng)域研究中的應用蕊進(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在已廣泛地應用于物 理、化學(xué)、生物、醫學(xué)，化工、環(huán)境保護，材料科學(xué)等領(lǐng)域，成為科 學(xué)研究中十分重要的檢驗和分析手段“I，是當前國際上結構和 成分分析最為令人注目的領(lǐng)域之一。
在醫學(xué)領(lǐng)域的研究中，光聲光譜技術(shù)表現出一些傳統透射 光譜法和反射光譜法所不及的獨特優(yōu)點(diǎn) 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(jìn)行測量．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)損檢測的有效方法 ；( 樣品用 量少，只用毫克數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(dòng)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(cháng))；@ 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)在醫學(xué)領(lǐng) 域的應用越來(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(lèi)、細胞、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 的臨床診斷工具測厚儀| 測速儀| 轉速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱(chēng)| 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(shí)驗裝置 用一定頻率調制的光源(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)．這一現象稱(chēng)為光聲效應。光聲光 譜技術(shù)就是在物質(zhì)的光聲效應基礎上發(fā)展起來(lái)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(cháng)變化的譜線(xiàn)，這譜線(xiàn) 稱(chēng)為光聲光譜。光聲信號的產(chǎn)生和檢測過(guò)程是一個(gè)光、熱、聲、 電的能量轉移過(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)內部結構及成分含量的情況 ， 能提供物質(zhì)內部的熱學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)方面信息。光聲光譜是傳 統光譜的一種有力補充。傳統光譜方法排豫了對巳被吸收、湮 沒(méi)的那些光子的檢測分析．這些被排除了的物理過(guò)程往往是研 究者十分感興趣的。光聲光譜就是對傳統光譜在這些過(guò)程方面 的一個(gè)補充。它與傳統光譜技術(shù)的主要區別在它的檢測方法。 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(cháng)范圍很 竟，從紫外區經(jīng)可見(jiàn)區一直到紅外區。

光聲光譜儀主要由光源、斬波器、光聲弛、聲敏元件、放大 器、信號處理系統和記錄系統等組成。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造相同。其基車(chē)構造如圖 l所示q。從光源發(fā)出的光用斬波器詞制成斯續光(調制光)(說(shuō) 明：為得到斷續光．也可以直接用棘沖光源)．照刊光聲池上．光 聲池內的樣品吸收了斯續光，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(guò)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(dòng)。則光聲信號的強度也因此 而產(chǎn)生波動(dòng)。為了避免由于光源波動(dòng)而造成的測量誤差．可用 射人光聲池的光強度對光聲信號進(jìn)行歸一化處理。 圈1 單光束光膏光譜忮的構遺

2 光聲光譜技術(shù)在醫學(xué)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(shí)．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(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)，分別對未受損傷的正常人 眼水晶體和具有明顯自?xún)日系奈词軗p傷的人眼水晶體進(jìn)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(shí)．白內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，而且白內障水晶體在紅外區的吸收也增加 了。研究結果表明，白內障是共軛的色氨酸和酪氮酸化合物 白 內障結構不僅削弱了光譜藍端的視覺(jué)，實(shí)際上也削弱了整個(gè)可 見(jiàn)區的視覺(jué)．這時(shí)竟的吸收譜帶從紫外到紅外區穆向可見(jiàn)區 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)現四種人體癌變組織均在630 nm 附近有吸收峰出 現，而正常組織均無(wú)此峰。研究結果揭示：人體癌變組織在630 nm處出現的吸收峰是反映癌變組織所特有的丹子結構的特征 譜帶。這種特征譜帶可用來(lái)作為診斷癌癥的重要依據，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 透皮膚的擴散作用．并報道了用防曬油劑涂在人體皮膚進(jìn)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(cháng)(248Iim、308 J1m和 532llm)的激光器構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 量出切除血管組織的最低能量閾值。 Zharov等㈦為了醫學(xué)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(guò)測定膽結石和腎結 石的聲學(xué)特性(包括測定超聲速率)，從而分析探討結石的形成 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(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(lèi)型(急粒、急單、慢性急變)白血病患者和正常人的 全血進(jìn)行檢測和丹析、發(fā)現由不同類(lèi)型的樣品得到的光聲光譜 圖在360nm、420 ntrL、550 nm 和580／lm波長(cháng)附近的特征峰型 及吸收強度有顯著(zhù)差異。不僅不同類(lèi)型白血病患者全血的光聲 光譜與正常人的有顯著(zhù)差異，而且相互之間的差異也十分明 顯。研究結果顯示：患者的全血的光聲光譜圖可作為白血病臨 床診斯的依據。 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(jìn)行了全血光聲光譜研究，發(fā)現妊高征意者的 全血光聲光譜在648．5 nm處出現一個(gè)特異峰。如圖3和圖4 所示。研究結果提示．該特異峰可作為妊高旺診斷的依據。同 時(shí)，他們在妊高征全血光聲光譜的進(jìn)一步研究中隅，得剜以下 結論： 妊高旺的特異峰峰度隨著(zhù)妊高征病情的發(fā)展而變化。 妊高征嚴重時(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)檢測了胃病患者的胃液。結 果發(fā)現，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。 此外．虞美云等m利用光聲光譜儀分別對不同結構的磁化 杯中的水和普通杯中的水進(jìn)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 對細菌、寄生蟲(chóng)的研究 利用光聲光譜技術(shù)是可以鑒別細營(yíng)狀態(tài)的 。雖然傳統的 光散射法可用來(lái)監視各種基質(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�？莶輻U菌黑 色變種是空氣中一種常見(jiàn)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(cháng)狀態(tài)時(shí)，這十吸收帶就消失了。園而光聲光譜技術(shù)能檢測和 區別不同的細菌狀態(tài)，使我們能監視和梗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(chóng)．即瘧原蟲(chóng)。這種寄生蟲(chóng)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(jiǎn)稱(chēng)FP)-接多價(jià)整合而無(wú)毒的形式儲存在它的自體吞噬泡 中，被稱(chēng)為瘧原蟲(chóng)色素。它類(lèi)似于高鐵原卟啉Ⅸ (FP)與寄生蟲(chóng) 蛋白質(zhì)結合的螯合物。因此，瘧原蟲(chóng)色素的光聲光譜明顯地類(lèi) 似于單體高鐵原卟啉1x的光譜。當引入氯奎寧這類(lèi)抗瘧藥物 時(shí)，FP與氯奎寧結合形成nL氯奎寧的螯音物。井促茛瘧原蟲(chóng) 中國醫學(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，當粒子直徑大小與人射激光波長(cháng)相接近時(shí)，光 聲信號靈敬度會(huì )發(fā)生成倍增強的共振現象。他們結臺生物的免 疫反應提出了光聲免疫法。其靈敏度可比常規的濁度免疫法至 少高出三十數量級，且比放射免疫法和酶免疫法亦高出一、二 十數量級。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 學(xué)免疫診斷方法，有可能用于癌癥的診斷上 。

3 結束語(yǔ) 光聲光譜技術(shù)由于具有一系列獨特的優(yōu)點(diǎn)，周此在醫學(xué)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(lèi)、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(guò)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(shí)的形態(tài)變異和生 物新陳代謝的話(huà)體產(chǎn)物等方面的研究，是醫學(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(zhù)它的不斷 完善和發(fā)展，可以預計，在不遠的將來(lái)，它將成為醫學(xué)領(lǐng)域中常 規的研究和分析工具。