光声光谱在生物医学领域的应用

光声光谱在生物医学领域的应用

1光声技术的应用光音谱学及其物理过程的光音效应是光与物质之间的相互作用，是物质吸收光能后转化为声音的物理过程。这种光能转化为声音的能力是由光特性（h）和物质热学性质（导热性、热扩散率、比热等）及其测量物质的光谱学性质决定的。可通过对光转换成声的能力大小的探测来确定物质的热学性质和光谱学性质。光声光谱在生物学和医学方面最有希望的应用之一是研究生物体系,因为生物体中大部分待研究材料所呈的形状,不是不可能就是很难用其他化学方法来研究。虽然很多生物材料天然地呈溶液状态,但很多其他材料则是隔膜、骨骼或组织,这些材料是不溶解的,它们在生物学上的功能或多或少发生在固体基质中。用传统的技术不适合于通常的透射光谱技术。假如把它们溶解,其性能将有重大变化。另外,用普通光谱学技术对许多固体物质(如生物样品)进行研究时,遇到的最严重问题是光散射,而这点在光声光谱学中不存在任何困难。光声光谱的最大优点是试样可不经预处理就可直接进行光声信号的幅度与相位的测定,不但操作简便,更重要的是保持了生物试样的自然状态,还可以进行活体和剖面深度的断层分析。近年来,光声光谱技术主要集中于研究生物样品受光激发发生无辐射的电子跃迁后,观察在生物样品上释放热能的时态分布。该技术除了具有上述明显的优点外,还提供了不少新颖的信息,例如研究生物层状发色团分子、生物分子的光致损伤、生物体内的光热耗散、光活性光谱和生物发光量子效率以及细胞分裂的形态变异等。这些信息都是常规光谱方法所无法提供的。2光学技术在医学中的应用2.1光声光谱检测细菌传统的光散射法可监视各种基质上细菌繁殖情况,但强的光散射却很难获得细菌的光谱资料,因而对细菌也难以鉴别。光声光谱技术十分适合研究细菌样品。枯草杆菌黑色变种是空气中一种常见的细菌,对这种细菌,其光声光谱在410nm处有一个强吸收带。当细菌处于生长态时,这个吸收带就消失了。因而光声光谱能检测和区别不同的细菌状态,使我们能监视和测定各种发展阶段的细菌。2.2光声光谱技术利用光声光谱技术可研究被氧化和还原的细胞素C处于固态或结晶态时的光声光谱。殷庆瑞等应用OAS400型光声光谱仪研究了血液病患者的全血样光声吸收光谱图。结果表明,光声光谱技术能够明显地区分出健康人和患者之间的光谱差异,且操作简单,只需一滴血在5min时间内就可得出结果。该技术可在红细胞膜的表面分析,可应用于血液学研究方面。Poulet等报道了用光声光谱技术研究人血中血红蛋白和载氧血红蛋白的光声光谱及人血的氧化作用的沉降速率等问题。郭周义等用光声光谱法对正常、白血病缓解、急性淋巴细胞白血病等不同类型的多例血样的全血谱的3个吸收峰进行了对比,并通过全血涂片染瑞士蓝的方法,观察了血样中白细胞含量变化在图谱上的反映。2.3皮肤光声检测技术应用光声光谱技术可直接研究人和动物的皮肤、肌肉、脏器等软组织和骨、牙齿等硬组织。利用常规光谱技术研究皮肤的困难在于表皮层的强烈光散射和样品解剖时所产生的一系列问题。但利用光声光谱技术就可以获得完整的皮肤吸收光谱。当动物或人体组织发生病变时,测定病变前后的光声光谱有可能获得正常组织和病变组织的物理和化学特征,提供有关诸如牛皮癣和癌症等信息。周篪声等利用自己设计的双光束光声光谱装置,测量了人体4个部位(胃、子宫、肺等)的癌变组织和正常组织的光声光谱,发现4种人体癌变组织均在630nm附近有吸收峰出现,而正常组织均无此峰。由此可以说明在630nm处出现的吸收峰是反映癌变组织所特有的分子结构的特征谱带,这种特征谱带可为诊断并治疗癌症提供重要依据。2.4波长相加快时,光声灵敏度成倍增强1987年日本Kitamori,Sawada等在研究乳浊液颗粒大小与光声信号灵敏度的关系中发现,当粒子直径大小与入射激光波长相接近时,光声信号灵敏度会发生成倍增强的共振现象。他们结合生物的免疫反应提出了光声免疫法(PhotoacousticImmunoassay)。这是一种新型的医学免疫诊断方法,可用于癌症的诊断上。其灵敏度可比常规的浊度免疫法高出3个数量级以上,比放射免疫法和酶免疫法高出1、2个数量级,并不需要使用危害性的放射性核素,几分钟就可完成其免疫反应和光声测定。3关于鼻细胞吸收特性的研究3.1单色仪结果平面光栅我们采用能实现归一化光谱测量的双光束光声光谱实验装置,如图1所示。光源是磁场稳弧卧式的1000W球形短弧氙灯,工作电压为240V,工作电流为32A,单色仪是北京第二光学仪器厂生产的WDP500-2A型平面光栅,扫描速度为25nm/min,锁相放大器是美国StanfordResearchSystems公司生产的SR530锁相放大器,斩波器频率为40Hz,时间常数为10s,样品池与参考池是完全相同的自制气体传声器型光声池。光源发出的光经椭球聚光镜聚集于单色仪的入口缝。从单色仪出口缝出来的单色光被分束镜分成2束,一束经透镜聚焦到装有炭黑作吸收体的参考池,另一束经透镜聚集到装有样品的样品池,从样品池和参考池输出的光声信号经前置放大器放大后分别输送到锁相放大器A和B,锁相器B的输出信号作为归一化信号输送到锁相器A背后的比率计输出端,则比率计的输出信号就是归一化的光声信号,它自动补偿了光源的光强变化对待测信号的影响。3.2血的吸收峰检测用双光束归一化光声光谱测量了由中山大学肿瘤研究所提供的3株人的鼻咽癌细胞SUNE-1,CNE-1和CNE-2,最小的是CNE-1。我们知SUNE-1和CNE-2是低分化癌细胞,CNE-1是高分化磷细胞。实验表明,这种放射性和敏感性的差别与它们表现出的光声光谱特性差别存在的内在联系值得进一步研究。我们用导数光声光谱技术测定鼻咽癌病人血液的特征吸收峰。血样品制作时,取一滴血团放在光声池自然凝固,干涸后测试,吸收谱采用2次测量方法获得,扫描范围是340~840nm,锁向放大器的灵敏度为20mV,积分常数为30s,斩波采集卡的增益为5V,对炭黑,电压增益为0~10V。由实验结果知,人的血液在630nm附近吸收峰是继α,β,γ峰之后的一个新的吸收峰,由于γ峰的吸收强,此峰演变为1个肩峰。对40例鼻咽癌病人的血液进行实验,其中,13例吸收峰谱中不明显。但从吸收谱的一阶导数和二阶导数发现,在625nm处所有病例均存在此肩峰。对3例正常人的全血进行测试,3例吸收峰谱中此峰不明显,但通过导数光声光谱技术,发现625nm处存在此峰。由此可得出结论