傅里叶变换红外光谱学显微成像技术在骨病研究中的应用和进展.pdf

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1、第34卷，第2期光谱学与光谱分析Vo1．34，No．2，pp340—3432014年2月SpectroscopyandSpectra1AnalysisFebruary，2014傅里叶变换红外光谱学显微成像技术在骨病研究中的应用和进展尹建华，黄凤玲，钱志余，谢捷如南京航空航天大学自动化学院生物医学工程系，江苏南京210016摘要傅里叶变换红外光谱学显微成像系统的发展历程、系统构成、成像原理和模式选择，引出傅里叶变换红外光谱学显微成像在生物医学领域开辟了骨病光谱成像这一特定研究方向，详细论述了该技术用于研究骨石化病、成

2、骨不全症、骨质疏松症和骨软化症等骨病所取得的成果和进展，简单介绍了该技术的相关局限性，并展望了其在生物医学研究领域的发展前景。关键词傅里叶变换红外光谱；显微成像；高分辨；骨病中图分类号：0657．3；Ok3文献标识码：ADOI：10．3964~．issn．1000—0593(2014)02—0340—04谱信息采集，而非采用逐点扫描的方法。到2O世纪9O年代引言中后期，中红外阵列探测器的商业开发克服了传统红外显微镜的缺陷，促成FTIR成像光谱仪的开发；1995年，报道了红外光谱用于生物物理学和生物化学进行结构分析已

3、有第一个焦平面阵列探测器(focalplanearray(FPA)detectors)大半个世纪。该方法提供了重要的结构信息，例如组织的组的相关成果_3]。在这些实验中，样本安置在一个固定的位成，蛋白质二级结构和相互作用，DNA构象和结构转变，脂置，通过一个阵列探测器(通常由64×64个单元探测器组质构象的排序和相行为等。傅里叶变换红外(fouriertrans—成)收集空间信息，该阵列探测器可以在单位时间内收集大forminfrared，FTIR)光谱技术则是在2O世纪8O年代后期兴量像素数据。然而，这些探测器最

4、初是作为军事用途而开发起，并在生物医学研究中发挥着越来越重要的作用[1j。然而的，在光谱学应用中存在一些严重的缺点，比如成像复杂，在传统应用中，红外光谱(包括FTIR)需要待测的样品必须不易操作，且有较高的噪声等。小型阵列探测器(16×1)的匀质化。很大地限制了红外光谱在生物组织研究方面的应出现引起成像技术的一次激动人心的变化。2001年，珀金埃用。因为生物组织当中的分子成分的空间分布很大程度上决尔默(PerkinElmer)公司推出一套傅里叶变换红外光谱成像定了它们的功能，而样品的均匀化显然破坏了这些信息。传(f

5、ouriertransforminfraredimaging，FTIRI)系统，即采用高统制样方法的另一个局限性就是需要较大的样品数量(范灵敏度的线性阵列探测器并耦合一个可快速运动的样品台。围)，所测得的光谱是整个采样区域的平均光谱。该仪器允许红外光谱成像(Maps或Images)以独立的样品尺红外光谱的这些局限性很早以前就已被认识。后来有人寸采集，和基于FPA开发的红外光谱成像仪器在数据采集将显微镜和红外光谱仪进行耦合并用于微量分析。针对非均时间和操作方便性方面相比较具有更明显的优势，并降低了质材料的研究，这种红

6、外显微镜采用逐点采集数据的方法，噪声和成本。虽然耗时，但结合多元数据分析等方法，仍然能明确地分辨在红外光谱学显微成像的过程中，所成图像当中的每一不同的组织类型和组织中的发病情形。相比较于标准的组织个像素平面对应一个该位置区域的红外光谱，通过红外光谱病理学方法，具有更高的灵敏度l2]，并使人们不必再为得到的吸收(或透射)与波长的变化关系得到一个平均吸收率(或统计性生物医学结果而进行大量样品的研究。透过率)，该数值被对应于一定的颜色来表示该像素的所在然而这种方法速度较慢，限制了此技术的实用性。随着位置样品的形貌。所采集

7、的红外光谱学图像实际上是一个四硬件、计算机、电子学和化学计量学算法的发展，成像设备维数据，蕴含着丰富的样品信息，不仅实现了对样品的形貌的发展也取得了很大的进展。继传统的单元探测器对样品实成像，同时可以获得样品的光谱和空间各位置的组成和结构现点成像(Pointmapping)之后，从电荷耦合元件CCD开始，信息，使得样品信息的表达更丰富、形象和直观。因此，自二维探测器实现了具有空间分辨的(紫外、可见、近红外)光FrIR1技术出现以来，虽然仪器系统较昂贵，但仍以其强大收稿日期：2013—04—24，修订日期：2013—

8、06—28基金项目：国家自然科学基金项目(61275199，61378087)和南京航空航天大学引进人才科研启动基金项目(1003—56YAH130o5)资助作者简介：尹建华，1974年生，南京航空航天大学教授e-mail：yin@nuaa．edu．cn第2期光谱学与光谱分析341的功能在各领域发挥越来越重要的作用。本文仅对其在生物减全反射(ATR)模式实际