击穿光谱激光在生物医学领域的最新进展

1、击穿光谱激光在生物医学领域的最新进展激光诱导击穿光谱(lib)可以用来确定固体、液体、胶体,和生物样品。它是一种很有前途的分析和表征技术组成了各种各样的物体。简要综述了基本原则和技术方面的唇边,和最近的进步的各种应用该技术在生物医学的领域进行了详细综述,包括bio-aerosols检测和识别,组织分析、矿物分析在人体,检测中锌的人类的皮肤。最后新方法和在生物医学的发展前景进行了展望lib技术领域作了简要的论述。关键词:生物医药、唇边,元素分析、原子发射光谱。1、介绍至少有大约40化学元素在生活生长在一个人类的身体中。这些元素可以分为三类:主要的群体构成h,c、n、o( 96.6%);微量元素组

2、成的团体钠、镁、磷、硫、氯、钾、钙、铁、锰、钴、锌和镍(< 5%);小群微量元素包括v,钼、李、氟、硅、像、溴、锡、我和巴(0.001%)。研究可能有些元素之间的关系与疾病经常在医学专家”生物学家很有趣。实行不同的技术探讨消费之间的相关性某些元素和某些类型的疾病,包括互补dna芯片和系列分析基因表达1;matrix-assisted激光解吸电离质谱(2、3)和表面增强激光解吸电离质谱4;x光片proton-induced荧光,x射线荧光5,6。所有这些技术共同的缺点被耗时的,昂贵的,并且需要样品制备相对复杂。综述了现代分析技术基于电磁辐射产生的排放激励后原子或分子离子,具有激光诱导击穿光

3、谱命名(libs)。技术是一个有用的lib确定方法元素构成各种固体、液体、气体。有许多优点,表1中描述的,众多实验以及理论研究结果发现在文学以及一些评论文献7、8、9、10和11最近的三个课本,12、13已经被发表。然而,只有几句话生物医学领域中的相关分析样品用唇边报道迄今为止。检测生物样本因为已成为迫切的威胁生物吗战争和流行病传播。表一：优势1、需要很少或没有样品制备。结果是增加产量,更方便和更少的机会污染的发生。2、多才多艺的抽样所有的媒体,包括固体、气体或液体(也指导和non-conducting材料)。3、很少量的样品(0.1µg 1毫克)被蒸发,所以唇边可以被视为准无损。4

4、、允许高硬度材料的分析,是很难消化或溶解(例如,陶瓷、眼镜和超导体)。5、分析提供了一个micro-regions空间分辨率为1 - 100µm。6、分析了多元素可以同时进行。7、直接检测潜在悬浮微粒(固体或液体粒子的气体介质)或周围的空气。8、分析简单、快速(烧蚀和激励过程进行单步)。翻译人：孙凯文二、激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy）的基本原则1960年，红宝石晶体在激光手术后不久被首次报道。brech和 cross证明第一个有用的激光等离子在一个表面上。这就是激光诱导击穿光谱技术的诞生，并且这个方法在随后的几年里发展成为

5、了重要的里程碑。激光诱导击穿光谱是原子发射光谱的方法之一，能够确定样品的元素成份(固体、液体、气体)。在激光诱导击穿光谱中，一个高能量的聚焦激光脉冲聚焦于一个样品，形成蒸腾和被激发的等离子体，如图一所示，这个光谱用来确定样品的元素组成成分。图一：三、仪表图2所示是一个在我们实验室建成的典型的激光诱导击穿光谱实验装置示意图。用一个镜头（典型的短脉冲或准分子）从激光脉冲中观察样品表面一场宽带连续光释放的过程，这是激光等离子体形成的过程。然后第二个镜头回收等离子体光准分子，或者如图2所示，通过光纤。被任意一种组件收集起来的光都将被运往一个频率分散或选择性的装置进行检测。每个发射的激光产生一个独立的激

6、光诱导击穿光谱测量结果。这个光谱将通过一个给定的检测器被记录下来。检测器包括光电倍增管(pmt),照片二极管阵列(pda),电荷藕合设备(ccd),和强化电荷藕合器件。(iccd)。因为iccd可以在皮秒动力学测量下进行排序，并且具有良好的信号数字比，因此成为了时下流行的激光诱导击穿光谱器件。根据用途，火花的时间分辨率能够改善信号-数字比或者屏蔽来自连续、行或分子带光谱的影响。商用的libs仪器近几年开始出现，通过继续的学习和研究来改善仪器的检测范围,精度和准确性是必需的。图二：典型libs实验器材翻译人：谢凡四、生物药物科学方面激光诱导击穿光谱仪的应用4.1.生物性气溶胶分析最近几年，对于微

7、粒、气溶胶和细胞的分析已经引发了很高的热潮，尤其是对生物性气溶胶（细菌、真菌、病毒、花粉）的讨论更是受到广泛的关注。这不仅因为他们在生活中无处不在，而且是生物战争的威胁、疫情的蔓延所要求的吸入微量的生物性气溶胶便能引起疾病或有毒的过敏反应。因此，对空气中微粒存在性和实际浓度的监测及目的，人们有着极高的热情。对于原位、即时的金属类气体及气溶胶阶段微粒的测量，激光诱导击穿光谱仪是已知技术中最方便使用的。时间分辨光谱激光在快速、可靠、高选择性等方面具有很大的优势。stéphane morel 等人 15用这个激光仪来监测和分类物种。他们选择了六种细菌（包括globigii芽孢杆菌，作为炭疽

8、杆菌的载体）和两颗处于花粉粒状态的花粉来检测，最终获得结论：该激光仪在区别不同的被调查物种方面具有很好的性能，无论培养基或者物种的种类是什么。samuels 等人.16用了一个带有宽带光谱仪（200-900纳米）的激光诱导击穿光谱仪来分析细菌的孢子、模具和花粉。作者分析来每个光谱仪谱的频谱分析法，发现其中包含了大量可以用来辨别生物原料的东西。他们得到了辨别细菌孢子、模具和花粉的方法。kim和合作者17用libs试验了五种细菌株芽胞杆菌（大肠杆菌ihii thuringiensis t34 / pht315芽孢杆菌、枯草芽胞杆菌168年,megaterium qm b1551、芽孢杆菌megat

9、erium pv361。），直接在细菌培养基上表现出了测量方式。通过二维图的细菌成分、钙和磷的含量，细菌株芽胞杆菌之间的不同可以直接区分出来。作者指出,他们的实验结果证明了这种方法的潜力只需要很少的样品制备，便可利用光谱仪进行快速精确地分类细菌。hybl 等人. 18用光谱宽带libs系统检测了一些常见的生物载体，如细菌孢子、载体蛋白、真菌或霉菌孢子以及花粉。与用球团矿或者基质层沉积法不同，均匀样本可通过其他两种方式在微型吸入管中雾化：利用激光冲击波可将其雾化；从上方经过干燥功率声学悬挂器也可将其均匀分散。从试验中他们可以证明,lib作为生物气溶胶分析器有着巨大的潜能，而且lib技术也能解决区

10、分生物载体上元素性放射线的问题，这时通常忽略生物与环境的内部干扰。boyain-goitia 等人 19第一次用lib分析单个生物微粒（多种花的花粉）。他们的试验结果证明了击穿光谱激光能够在单个生物微粒上有所表现，并且在做合理的分辨之前，需要测量许多其他物种来建立一个合适的参考数据库，使现实中的分析变得更加可靠。最近几年，许多研究者都注重使用lib检测和坚定不同的生物性气溶胶。dixon 等人 20证明了在lib基础上分析富金属类生物性气溶胶（杆菌孢子等）的可行性。beddows 和telle 21讨论了在普通城市的气溶胶混合物中应用即时、原位激光光谱技术进行故障识别和生物性气溶胶（包括潜在的

11、生物性物种）的分类方面的前景。对比对移动单道气溶胶混合物的数据分析（atofms）和激光光谱测量的故障数据，他们得到了结论：随着时间推移，atofms提供的标准数据比变化的背景成分下的图更加高亮度。diedrich和合作者25用带纳米秒表的lib系统分析了四种大肠杆菌细菌菌株。实验结果表明，lib拥有区分环境性菌株和致病性菌株的能力，这也就说明了用lib来进行从环境中真实地诊断菌株存在的可能性。4.2. tissue analysis组织分析癌症诊断和分类从很大部分来说，依靠客观的生物学原理是非常复杂的。自动的、即时的诊断过程会相当促进癌症诊断和分类。libs能够在高低不同的数字基础上鉴别其基

12、本的组成，并能踢狗快速、无损的组织分析结果。kumar 等人.26, 27第一次严格证明了libs能够用来进行组织检测，特别是能分析恶性组织和正常组织。通过对某种动物犬齿恶性组织和正常组织的分析，他们发现了两种样本在基本组织上的明显差别。图三就是他们从活体狗的恶性组织和正常组织里获取的lib光谱。他们的结论是，线强度比不同的元素可以用来确定选定矿比的细胞。图三：恶性犬牙组织和正常犬牙组织的libs图像对比翻译人：辛丽斐4.3.人体的矿物分析近年来，对于人体组织（骨头、牙齿,牙材料）内重要矿物质和潜在毒素的分析受到了诸多关注。samek和 coworkers28, 29, 30, 31, 32通

13、过libs在钙化组织中进行微量元素浓度定量分析，他们证明了可以毫不含糊地区分龋齿和健康牙齿的可能性，也证明了libs分析的可实施性及用激光进行牙齿钻孔的可行性。fang etal. 33用lbis分析和识别泌尿性结石的成分，他们测量7个不同的泌尿系统结石样品的浓度、元素，实验系统检测发现不同的样品检测结果迥然不同。然后他们总结到libs技术在应用于常规临床泌尿障碍诊断上有很大的潜能。corsi and coworkers 34使用击穿光谱calibration-free激光(cf-libs)来测量人类头发中的主要矿物质成分然后将他们的结果与一个化学分析实验室得出的结果进行比较，最后他们总结出cf-libs是一个非常有前途的测量头发矿物质成分的技术。4.4人类皮肤中锌元素的分析众所周知，皮肤中的微量元素，例如锌、钙、铁，在调节细胞的流动、细胞新陈代谢,细胞凋亡的机制中起着重要的作用。sun et al. 35, 36第一个用libs来检测人类皮肤中的微量元素，他们用libs评估(皮肤)防护脂作为一种保护和控制锌离子吸收手段的有效性。他们的实验结果表明锌被皮肤吸收并且浓度呈指数下降，这表明libs是一种分析人类皮肤微量元素的有效办法。五、结论