(西安工大)拉曼光谱仪的工作及在生物医学领域的应用原理

拉曼光谱仪的工作及在生物医学领域的应用原理学院：电信学院专业:生物医学工程班级：100423学号：100423105姓名：胡一流日期：2013/11/10拉曼光谱仪的工作及在生物医学领域的应用原理拉曼光谱技术是一种基于光与物质的相互作用产生的非弹性散射光来进行检测的方法。随着表面增强拉曼光谱技术的发展，它被人们逐渐用来进行癌变组织的检测和疾病诊断的研究。但是目前的研究尚处于实验室阶段，要使其真正应用于临床诊断，还有待于大量光谱数据的积累和定性、定量标准的建立。针对上述问题，本论文首先研究了拉曼散射效应的激光激励和表面增强拉曼效应的相关参量，进而介绍了“拉曼智能手术刀”概念性研究方案，即在临床手术中试图通过手术刀快速、准确地判断出是否为需要切除的癌变组织。然后运用傅立叶变换(三角共路型干涉)光谱仪，提出“拉曼智能手术刀”系统方案。最后对小鼠血清样品的表面增强拉曼光谱信号进行了提取技术的实验研究，从而验证了可以进一步开展癌变组织的拉曼光谱特征信号的提取技术研究。拉曼光谱（Ramanspectra），是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。最常用的红外及拉曼光谱区域波长是2.5~25μm。分子运动包括整体的平动、转动、振动及电子的运动。分子总能量可近似看成是这些运动的能量之和，分别代表分子的平动能、电子运动能、振动能和转动能。除外，其余三项都是量子化的，统称分子内部运动能。分子光谱产生于分子内部运动状态的改变。分子有不同的电子能级，每个电子能级又有不同的振动能级。而每个振动能级又有不同的转动能级。一定波长的电磁波作用于被研究物质的分子，引起分子相应能级的跃迁，产生分子吸收光谱。引起分子电子能级跃迁的光谱称电子吸收光谱，其波长位于紫外～可见光区，故称紫外－可见光谱。电子能级跃迁的同时伴有振动能级和转动能级的跃迁。引起分子振动能级跃迁的光谱称振动光谱，振动能级跃迁的同时伴有转动能级的跃迁。红外吸收和拉曼散射光谱是分子的振动－转动光谱。用远红外光波照射分子时，只会引起分子中转动能级的跃迁，得到纯转动光谱。拉曼散射是分子对光子的一种非弹性散射效应。当用一定频率的激发光照射分子时，一部分散射光的频率和入射光的频率相等。这种散射是分子对光子的一种弹性散射。只有分子和光子间的碰撞为弹性碰撞，没有能量交换时，才会出现这种散射。该散射称为瑞利散射。还有一部分散射光的频率和激发光的频率不等，这种散射成为拉曼散射。Raman散射的几率极小，最强的Raman散射也仅占整个散射光的千分之几，而最弱的甚至小于万分之一。处于振动基态的分子在光子的作用下，激发到较高的、不稳定的能态（称为虚态），当分子离开不稳定的能态，回到较低能量的振动激发态时，散射光的能量等于激发光的能量减去两振动能级的能量差。当一束频率为v0的单色光照射到样品上后，分子可以使入射光发生散射。大部分光只是改变光的传播方向，从而发生散射，而穿过分子的透射光的频率，仍与入射光的频率相同，这时，称这种散射称为瑞利散射；还有一种散射光，它约占总散射光强度的10^-6～10^-10，该散射光不仅传播方向发生了改变，而且该散射光的频率也发生了改变，从而不同于激发光（入射光）的频率，因此称该散射光为拉曼散射。在拉曼散射中，散射光频率相对入射光频率减少的，称之为斯托克斯散射，因此相反的情况，频率增加的散射，称为反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射强得多，拉曼光谱仪通常大多测定的是斯托克斯散射，也统称为拉曼散射。散射光与入射光之间的频率差v称为拉曼位移，拉曼位移与入射光频率无关，它只与散射分子本身的结构有关。拉曼散射是由于分子极化率的改变而产生的。拉曼位移取决于分子振动能级的变化，不同化学键或基团有特征的分子振动，ΔE反映了指定能级的变化，因此与之对应的拉曼位移也是特征的。这是拉曼光谱可以作为分子结构定性分析的依据。拉曼光谱对分子的结构、构象及所处的环境很敏感，已用于研究各种人体细胞，特别是在肿瘤细胞方面的研究较多。在细胞恶变过程中，细胞内物质的结构、构象和数量发生了明显变化，然而在肿瘤发生的早期阶段，这些变化尚不能被医学影像学检查发现。而拉曼光谱具有敏感探测物质组分变化的特点，可用于肿瘤的早期检测。一些学者用拉曼光谱分析技术对人体多部位的肿瘤进行了有益的探索，对多个系统肿瘤的拉曼光谱分析表明，拉曼光谱能鉴别正常组织、良性病变、癌前病变和恶性肿瘤，因此，拉曼光谱技术的发展为研究肿瘤发生、发展的不同病变阶段提供了可能性，这些生化指标的变化反映到相应拉曼光谱的变化可能作为肿瘤早期诊断、肿瘤预防和肿瘤治疗的可靠指标，为临床应用奠定了基础。生物细胞由包含在细胞膜内的有机物、机物和生物化学物质的复杂混合体组成，包括核酸、蛋白质、多糖和液体。活细胞内生物分子的组成和结构可能随生理状态的改变而改变，外部因素促使活细胞内信息变化对理解各种细胞过程是十分重要的；拉曼光谱为这种变化的研究提供了很好的手段。拉曼光谱反映拉曼样品池中散射物质的特性，与激光的频率和激光的强度无关；不同细胞其拉曼光谱在特征峰有着明显的区别，有人对不同物种红细胞作过拉曼光谱的比较研究，发现不同物种的红细胞均有各自的拉曼特征谱线。细胞特征拉曼谱线的研究十分有意义，它可以成为细胞的“指纹”，可以用来作为不同生物细胞鉴定的特征标记。生物大分子的拉曼光谱可以使我们得到许多结构方面的信息，有DNA有序结构的类型以及DNA、RNA的磷酸骨架、核糖或脱氧核糖和碱基的信息，各种构型的碳水化合物，不同状态的膜蛋白和类脂的结构等信息。在对染色质、病毒的结构的描述中也有许多独到之处。在此基础上展开的结构与功能关系的研究，由于拉曼光谱的使用而获得更加准确和全面的结果