拉曼光谱在生命科学领域的应用

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1、拉曼光谱在生命科学领域的应用拉曼光谱作为一种无损、非接触的快速检测技术，已吸引广大科研人员的关注，并被应用于各行各业中。特别是在生命科学领域，由于拉曼样品用量很少，不需要对生物样品进行固定、脱水、包埋、切片、染色、标记等繁琐的前处理程序，不仅操作简单，而且不会损伤样品从而能够获得样品最真实的信息。另外，生物大分子多是处在水溶液环境中，研究它们在水溶液中的结构对于了解生物大分子的结构与性能的关系非常重要。由于水的红外吸收很强，因此用红外光谱研究生物体系有很大局限性，而水的拉曼散射很弱，干扰小，而且单细胞拉曼光谱能提供细胞内核酸

2、、蛋白质、脂质含量等大量信息，可在不损伤细胞的条件下实时动态地监测细胞分子结构变化，可以对细胞、病毒等进行原位检测分析。HORIBAScientific共焦拉曼光谱仪因其灵敏度高、性能优越而被广泛用于生命科学领域的研究，在诸如基础研究、生物医学、药物、化妆品以及食品中都有着广泛的应用。1.基础研究基础研究包括组织结构及成分鉴别（脂类、蛋白质、糖类、水、DNA，RNA等）、细胞的定位、鉴别及分类等。生物大分子中，蛋白质、核酸、磷脂等是重要的生命基础物质，研究它们的结构、构象等化学问题以阐明生命的奥秘是当今极为重要的研究课题。拉

3、曼是分子的“指纹图谱”，生-1物分子的指纹区主要出现在100-2000cm，如图1左。拉曼对分子所处的环境非常敏感，结[1]构上的些微差异都能在拉曼谱图上体现出来，如图1右。图1左：甲状腺肿和恶性肿瘤的拉曼谱图；右：不同肌红蛋白拉曼谱图细胞是生命最基本的组成，是一切生命现象的基础。共聚焦显微拉曼光谱的发展对原位活细胞研究有着重要意义，对于小尺寸的样品，如尺寸仅仅为1~2µm的细菌，通过真共焦的良好共焦特性，依然可以对其进行详细研究。如图2即是对细菌做的三维拉曼成像，图2细菌的三维拉曼成像可以清晰地分开微小的细菌（感谢英国CE

4、HOxford的WeiHuang博士提供数据）。另外，细胞种类繁多，如细菌有不同的菌种。通常，采用一些多元统计学方法，如聚类分析、主成分分析、判别分析等可以更好地对研究对象进行评价。图3是对3种不同的细菌在不同生长时间下获得的拉曼结果进行的统计分析，结果显示对于同一细菌，尽管生长时间不一样，但是它们都被归属于同一类，证明拉曼可以很好地鉴别不同种类的细胞。图3多元分析对三种不同菌种的分类，其中a、b、c分别代表三种不同细菌的训练数据，而粗体的a、b、c代表测试数据（感谢英国CEHOxford的WeiHuang博士提供的数据）2

5、.生物医学拉曼光谱在生物组织与疾病中的研究非常广泛，涵盖了几乎所有的软组织和硬组织，如脑组织、肺组织、肝组织、骨组织等。在很多空腔组织如肺、胃、结肠等中，可以将光纤包埋在内窥镜中实现拉曼光谱的活体实时检测。拉曼光谱可以从分子水平提供信息，这对于很多疾病的研究有着重要的意义。不同病变会在拉曼谱图中有不同的特征显示，通过拉曼光谱能够对不同疾病进行判断，如图4中甲状腺肿、腺瘤和甲状腺癌的拉曼光谱之间就有着很大的差异。甲状腺肿腺瘤甲状腺癌0.250.200.250.200.200.150.150.150.100.10Intensit

6、y(a.u.)Intensity(a.u.)Intensity(a.u.)0.100.050.050.050.000.000.00600800100012001400160060080010001200140016006008001000120014001600Wavenumber(cm-1)Wavenumber(cm-1)Wavenumber(cm-1)图4不同甲状腺病变的拉曼光谱（感谢法国兰斯大学Manfait教授及其同事提供的数据）对于骨组织的愈合过程，由于新生骨的骨胶原含量更高，且与成熟骨存在成分上的差异，所以拉曼可

7、提供新生骨和成熟骨的分布，如图5，从而可以判断骨组织的愈合程度。如果对愈合过程的不同时间阶段进行拉曼分析，还可以对愈合过程进行实时监测。))Y(umY(um5um5umX(um)X(um)X(um)图5骨组织拉曼分布，红色部分为新生骨（胶原），绿色部分为成熟骨（羟磷灰石+有机质)。（感谢RobertFleming,UniversityofEindburgh提供的数据）3.药物在药物配方中，通常除了有效成分之外，还包含很多辅料。而原料和辅料的分布对药物的溶解、吸收等一系列效应有着重要影响。根据拉曼光谱中不同成分信息的提取可以得

8、到药TM片成分分布的图像，如图6。通过一些新的成像技术，如SWIFT高速共焦光谱成像配合DuoScan的应用，可以在短时间内对整个药片进行成像分析。0100020003000Y(µm)400050006000400µm700002000400060008000100001200014000