光声光谱技术在医学中的应用

光声光谱技术在医学中的应用
摘要：先声光谱【PAs]技术是一种研究物质吸收光谱的新技术。可作为医学领域研究的一种新的有力分析工具。其技术特 点为医学样品的研究提供了一种是敏，可不经预处理而兄无损样品的有效检蕾4方法。奉文简进了先声先I；．技术的基奉原 理、实验方法厦其在医学领域中应用的优点。介绍了先声光谱技术在医学领域研究中的应用蕊进展情巩。
酋育：光声光谱拄术是一种研究物质吸收光谱的新技术， 它已成为分子光谱学的一个重要分支。现在已广泛地应用于物 理、化学、生物、医学，化工、环境保护，材料科学等领域，成为科 学研究中十分重要的检验和分析手段“I，是当前国际上结构和 成分分析最为令人注目的领域之一。
在医学领域的研究中，光声光谱技术表现出一些传统透射 光谱法和反射光谱法所不及的独特优点 ① 普适性强．对固 体，液体和气体样品都适用 (如：人体组织、骨胳、血棱、体棱 等)；( 可以不受教测样品的形状及形态的限制，各种样品可 不经预处理，就可直接进行测量．不但操作简便．更重要的是保 持样品的自然状态，是一种无损检测的有效方法 ；( 样品用 量少，只用毫克数量级的样品就可以获得各种形态化合钧的电 子吸收光谱信息和振动光谱信息 ；④ 检测灵敏度高．检测的 波谱范围宽(10 nm至几毫米的波长)；@ 可以进行活体和剖 面深度的断层分析，是唯一可用来检测样品剖面吸收光谱的方 法 。由于光声光谱技术其独特的性质，因此，该技术在医学领 域的应用越来越引人注目。近年来，不步科学家研究了生物大 分子、酶类、细胞、微生物 、器官与组织、血液 的光声光谱图。 并且，通过动物和人体组织及血液的研究，能找出组织病理和 痍病之间的内在联系，为早期诊断痍病(包括癌变)提供有价值 的临床诊断工具测厚仪| 测速仪| 转速表| 压力表| 压力计| 真空表| 硬度计| 探伤仪| 电子称| 热像仪| 频闪仪| 测高仪| 测距仪| 金属探测器|I

l 光声光谱技术的基本理论及实验装置 用一定频率调制的光源(或脉冲光源)照射物质．物质分子 吸收一定光能后．由受激态通过非辐射过程跃迁到低能态时． 产生局颏的声波(光声信号)．这一现象称为光声效应。光声光 谱技术就是在物质的光声效应基础上发展起来的一种检测技 术，它研究物质的光声信号随人射光波长变化的谱线，这谱线 称为光声光谱。光声信号的产生和检测过程是一个光、热、声、 电的能量转移过程。光声光谱和其它光谱一样反映了物质与光 相互作用的特性．它能反映物质内部结构及成分含量的情况 ， 能提供物质内部的热学、声学和光学方面信息。光声光谱是传 统光谱的一种有力补充。传统光谱方法排豫了对巳被吸收、湮 没的那些光子的检测分析．这些被排除了的物理过程往往是研 究者十分感兴趣的。光声光谱就是对传统光谱在这些过程方面 的一个补充。它与传统光谱技术的主要区别在它的检测方法。 不是直接对人射物质后出射的某些光子的检测，而是对光束与 物质相互作用所吸收的姥量的测量01。光声光谱的波长范围很 竟，从紫外区经可见区一直到红外区。

光声光谱仪主要由光源、斩波器、光声弛、声敏元件、放大 器、信号处理系统和记录系统等组成。不臂样品的形态如何(气 体、棱体、固体)．所使用仪器的基本构造相同。其基车构造如图 l所示q。从光源发出的光用斩波器词制成斯续光(调制光)(说 明：为得到断续光．也可以直接用棘冲光源)．照刊光声池上．光 声池内的样品吸收了斯续光，便产生光声信号。此信号用檄音 器或压电器件等敏感元件检测。检测到的信号经过放大后，由 锁相放大器等提高信噪比(S／N)。光声信号大小与光源强度成 正比，所以，如果光源的强度有波动。则光声信号的强度也因此 而产生波动。为了避免由于光源波动而造成的测量误差．可用 射人光声池的光强度对光声信号进行归一化处理。 圈1 单光束光膏光谱忮的构遗

2 光声光谱技术在医学中的应用
2．1对人体器官与组织的研究 应用光声光谱技术可以直接研究人的皮肤、肌冉、脏器等 软组织和骨、牙齿等硬组织。当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 学特征以及它们之间的差异，为研究、诊断疾病提供有价值的 信息I”。 Yu，N． 等 利用光声光谱技术，分别对未受损伤的正常人 眼水晶体和具有明显自内障的未受损伤的人眼水晶体进行测 量，得到两种情况的光声光谱在280nm处都有特征吸收峰。这 特征吸收峰．主要是由于色氨酸和酪氨酸蛋白质残基对光的吸 收所致。同时．白内障水晶体比正常的水晶体在280 nm附近具 有宽得多的吸收带，而且白内障水晶体在红外区的吸收也增加 了。研究结果表明，白内障是共轭的色氨酸和酪氮酸化合物 白 内障结构不仅削弱了光谱蓝端的视觉，实际上也削弱了整个可 见区的视觉．这时竟的吸收谱带从紫外到红外区穆向可见区 周藏声等 利用氤灯作光源的双光束光声光谱装置，溟I量 人体四个部位(胃、子宫、肺、乳腺)的癌变组织和正常组织的光 声光谱．发现四种人体癌变组织均在630 nm 附近有吸收峰出 现，而正常组织均无此峰。研究结果揭示：人体癌变组织在630 nm处出现的吸收峰是反映癌变组织所特有的丹子结构的特征 谱带。这种特征谱带可用来作为诊断癌症的重要依据，也为激 光治疗癌症提供了有价值的光学资料。图2给出了人体肺正常 组织和啼癌变组织的离体样品的光声光谱 嚏性，啦 圈2 肺正常组织和肺癌变组甥的离体样晶的光声光谱 Giese等。山 利用光声光谱技术研究具有吸收能力的药物渗 透皮肤的扩散作用．并报道了用防晒油剂涂在人体皮肤进行光 声测量，从而确定防晒的功能。 Cross等 ”丹别采用由三种激光渡长(248Iim、308 J1m和 532llm)的激光器构成的珊脉冲光声光谱技术，研究正常人和 患有动肆粥样硬化患者的血管组织部分切除手术的情况，并测 量出切除血管组织的最低能量阈值。 Zharov等㈦为了医学临床诊断设计了激光光声探针．采用 较低功率的激光器，借用于光导纤维，通过测定胆结石和肾结 石的声学特性(包括测定超声速率)，从而分析探讨结石的形成 与病因。
2,2对人体血液、体渣的研究 利用光声光谱技术，只需一滴全血，不需要经过通常的提 取分离步骤，并保持血样品原来的状态，很窖易获得全血中血 红蛋白的特旺光声光谱．口I。通过全血的光声光谱 ． 能够明显地 区分出健康人和血液病患者之间的光谱差异ft]。 刘政威等” 、郭周义等旧和郭萍等 分别利用光声光谱技 术对不同类型(急粒、急单、慢性急变)白血病患者和正常人的 全血进行检测和丹析、发现由不同类型的样品得到的光声光谱 图在360nm、420 ntrL、550 nm 和580／lm波长附近的特征峰型 及吸收强度有显著差异。不仅不同类型白血病患者全血的光声 光谱与正常人的有显著差异，而且相互之间的差异也十分明 显。研究结果显示：患者的全血的光声光谱图可作为白血病临 床诊斯的依据。 符运良等” I应用光声光谱技术，对住院待产正常孕妇和妊 高缸患者的血液进行了全血光声光谱研究，发现妊高征意者的 全血光声光谱在648．5 nm处出现一个特异峰。如图3和图4 所示。研究结果提示．该特异峰可作为妊高旺诊断的依据。同 时，他们在妊高征全血光声光谱的进一步研究中隅，得剜以下 结论： 妊高旺的特异峰峰度随着妊高征病情的发展而变化。 妊高征严重时峰度高，产后(术后)峰度消失；②在产前诊断 中，全血光声光谱出现特异峰的孕妇，在住院待产期闻．多发展 为妊高征。而全血光声光谱无特异峰的孕妇，在住院持产期间， 较少发展为妊高征。 田，4 妊矗征毫者垒血的光声光谱 郭晓葵等 啦用光声光谱技术检测了胃病患者的胃液。结 果发现，慢性胃炎、胃溃瘸胃液的光声光谱与正常人的无明显 差异c而胃癌胃液的光声光谱在370 nllfl处有一个特征性的吸 收峰．该峰可作为胃癌的临床诊断依据。 此外．虞美云等m利用光声光谱仪分别对不同结构的磁化 杯中的水和普通杯中的水进行测量，从而得到的光声光谱图可 明显反映出不同杯中承的构象情况，进而能分析不同磁化杯的 磁化水磁化的效果情况。
23 对细菌、寄生虫的研究 利用光声光谱技术是可以鉴别细营状态的 。虽然传统的 光散射法可用来监视各种基质上细菌繁殖情况，但强的光散射 却使获得细菌的光谱资料有很大的困难，园而对细菌也难以鉴 别。但光声光谱技术却十分适合于研究细菌样品。枯草杆菌黑 色变种是空气中一种常见的细菌，对处于孢子状态的这种细 菌．其光声光谱在41Onto处有一十强吸收带 。当细菌处于生 长状态时，这十吸收带就消失了。园而光声光谱技术能检测和 区别不同的细菌状态，使我们能监视和梗j定处于各种发展阶殷 的细菌。 Balasubramanian等闺曾有效地用光声光谱技术检测了传 播疟疾的寄生虫．即疟原虫。这种寄生虫感染到红细胞上 ， 使细 胞代谢所需要的血红蛋白发生降解。而残留的高铁原卟啉I)( (简称FP)-接多价整合而无毒的形式储存在它的自体吞噬泡 中，被称为疟原虫色素。它类似于高铁原卟啉Ⅸ (FP)与寄生虫 蛋白质结合的螯合物。因此，疟原虫色素的光声光谱明显地类 似于单体高铁原卟啉1x的光谱。当引入氯奎宁这类抗疟药物 时，FP与氯奎宁结合形成nL氯奎宁的螯音物。井促茛疟原虫 中国医学物理学杂志 第l9卷第l期20o2年1月 死亡。因此，他们通过光声光谱的测定情况，有效地研究抗疟药 物的教用。
2．4 光冉免疫涪 tamor~，Sawada等聊在研究乳浊渡颗粒大小与光声信号 的关系中发现，当粒子直径大小与人射激光波长相接近时，光 声信号灵敬度会发生成倍增强的共振现象。他们结台生物的免 疫反应提出了光声免疫法。其灵敏度可比常规的浊度免疫法至 少高出三十数量级，且比放射免疫法和酶免疫法亦高出一、二 十数量级。而且它又不需要使用具有危害性的放射性接素．且 其免疫反应和光声测定仅花几分钟就可以完成。这种新型的医 学免疫诊断方法，有可能用于癌症的诊断上 。

3 结束语 光声光谱技术由于具有一系列独特的优点，周此在医学领 域中的应用范围是很广泛的，其应用前景也是十分诱人的。目 前，该技术应用于生物太分子、酶类、细胞(异形细胞)、微生物、 器官与组织、血液与体液的光声光谱围研究，以及应用于细菌 繁殖过程、药物台成和渗透、光声免疫反应、低温生物效应、生 物分子的光致损伤、光活性光谱、细胞分裂时的形态变异和生 物新陈代谢的话体产物等方面的研究，是医学界很感兴趣的研 究课题。光声光谱技术仍属于发展中的新技术，随着它的不断 完善和发展，可以预计，在不远的将来，它将成为医学领域中常 规的研究和分析工具。