林漫漫，常 靜，張 朋，劉 生，王巧貞，黃庶識**

(1.中原工學(xué)院電子信息學(xué)院，河南鄭州 450007；2.廣西科學(xué)院，廣西海洋天然產(chǎn)物與組合生物合成化學(xué)重點實驗室，廣西南寧 530007)

0 引言

激光拉曼光譜技術(shù)在生物活體中的研究是拉曼光譜技術(shù)和生物活體檢測技術(shù)的融合，它不僅繼承了這兩種技術(shù)的優(yōu)點，且能實現(xiàn)非接觸環(huán)境下對生物活體組織的原位探測。拉曼光譜是激發(fā)光與被測物質(zhì)作用后產(chǎn)生的一種與激發(fā)光頻率不同的散射光，該散射光包含豐富的被測物信息，通過對此散射光譜進行研究可以實現(xiàn)被測物的定性定量分析[1]。相較于其他光學(xué)檢測方法，激光拉曼光譜技術(shù)之所以能與生物活體檢測技術(shù)成功融合是因其有自身的特點及優(yōu)勢：(1)能夠提供快速、簡單、可重復(fù)的無損分析，為生物醫(yī)學(xué)的在線無創(chuàng)檢測提供可能性；(2)能夠提供物質(zhì)分子振動、轉(zhuǎn)動方面的信息，實現(xiàn)物質(zhì)分子水平級的定性分析，對疾病的早期診斷有非常大的意義；(3)拉曼光譜中所含有的特征峰清晰尖銳，適合物質(zhì)的定量分析，非常有利于臨床上對生物體生理指標的監(jiān)測；(4)相較于其他光學(xué)方法，生物組織中的水對拉曼光譜的測量結(jié)果影響較小，因此激光拉曼光譜技術(shù)非常適合用于研究生物組織。目前，除了生物醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域，激光拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用也已滲透到其他各個領(lǐng)域，例如化學(xué)、高分子材料、中草藥研究、寶石鑒定，以及比較熱門的法醫(yī)鑒定等[2-5]。近年來，激光拉曼光譜技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了不小的成績：生物學(xué)中有大量利用激光拉曼光譜技術(shù)研究蛋白質(zhì)、核酸、碳水化合物、脂類等生物組織最基本構(gòu)成物質(zhì)的文獻報道[6-8]；醫(yī)學(xué)上，拉曼技術(shù)被用于探測由疾病引起的組織、體液或細胞的分子組成變化，是一種強有力的疾病臨床診斷工具，可實現(xiàn)疾病的分子水平診斷[9-11]。每兩年一次的國際拉曼光譜會議上都會有拉曼光譜在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的專門討論會，而有關(guān)醫(yī)學(xué)和生物樣品的學(xué)術(shù)報告也占有相當大的比例。

生物活體檢測是以具有生命的個體為研究對象，分析檢測儀器與整個生物活體或局部作用產(chǎn)生的物理或化學(xué)現(xiàn)象進而得到檢測結(jié)果的過程。該檢測方法具有無創(chuàng)非侵入性，它之所以成為生物醫(yī)學(xué)研究者最理想的研究手段，是因為它能夠在不影響生物機體正常生理和心理環(huán)境的情況下，獲取真實的原位反饋信息，為相關(guān)研究提供精準的信息支持。生物活體檢測與激光拉曼光譜技術(shù)的成功融合除了上述幾點外，還有一個決定性因素即拉曼激發(fā)光源。一般常見的拉曼激發(fā)光波長有488，514.5，785和1 064 nm 4個波段，對生物活體的研究通常選擇785 nm近紅外波段的激發(fā)光。這是因為生物組織對這個波段的光不會產(chǎn)生大量光吸收現(xiàn)象，因此該光源不會對生物組織造成光損傷。另外，這個波段的光對生物組織有一定的穿透性，激發(fā)光能夠穿透生物體表皮組織作用到生物體內(nèi)部(組織、血液)進行活體實驗。本文針對拉曼光譜檢測在生物活體組織和血液兩個方面的應(yīng)用展開綜述。

1 激光技術(shù)在生物活體組織中的拉曼光譜檢測應(yīng)用

生物組織由細胞構(gòu)成，而細胞由蛋白質(zhì)、核酸、脂肪等拉曼信號較強的基本物質(zhì)構(gòu)成。疾病的產(chǎn)生往往伴隨組織和細胞的惡變，最早體現(xiàn)在蛋白質(zhì)、核酸、脂肪等基本構(gòu)成物分子結(jié)構(gòu)構(gòu)象或數(shù)量上的變化，但疾病初期這些變化的臨床癥狀和醫(yī)學(xué)影像表現(xiàn)往往并不明顯，因此對于初期癥狀不太明顯的病癥檢測仍需要尋求一些其他的技術(shù)手段和方法來實現(xiàn)早期診斷。激光拉曼光譜技術(shù)能夠提供物質(zhì)分子振動、轉(zhuǎn)動方面的信息，是一種靈敏的分子水平的檢測方法。20世紀90年代初人們就開始探討拉曼光譜在生物組織檢測中的應(yīng)用，探究激光拉曼光譜技術(shù)能否靈敏地探測出病變組織與正常組織的區(qū)別，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展一種快速、靈敏、精確的光學(xué)診斷方法。目前，激光拉曼光譜技術(shù)對生物組織的檢測主要應(yīng)用在癌癥的研究中。癌癥是嚴重威脅人類健康和生命的疾病之一，早發(fā)現(xiàn)、早診斷和早治療是提高癌癥患者生存率的有效途徑。

1.1 生物活體組織的拉曼光譜檢測

在過去的二十多年里，激光拉曼光譜技術(shù)對生物離體組織的檢測幾乎涉及所有器官，包括乳腺、大腦、皮膚、肺、結(jié)腸、宮頸、胃、肝、甲狀腺、喉以及淋巴系統(tǒng)等[12-17]。研究結(jié)果表明，結(jié)合一定的化學(xué)計量和數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，該檢測方法能夠靈敏地判別正常生物組織和異常生物組織，準確率為80%-100%，表明激光拉曼光譜技術(shù)不僅對生物離體組織檢測具有高準確率，也為其應(yīng)用于生物活體研究提供了有力的數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。以體外實驗為依據(jù)，拉曼技術(shù)在生物活體組織檢測中的應(yīng)用也相繼展開。Huang等[18]利用一臺激發(fā)光波長為785 nm的便攜式近紅外拉曼光譜儀，成功地獲取了人體各部位(前額、臉頰、胸部、腹部、手掌、手背、手指、腿等)皮膚組織的拉曼光譜，研究發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的皮膚光譜在形狀和強度方面都有一定的差異，該結(jié)果表明激光拉曼光譜技術(shù)可以應(yīng)用于不同生物組織間的判別和區(qū)分。隨后，同一課題組的Lui等[19]在此基礎(chǔ)上利用激光拉曼光譜技術(shù)對皮膚癌的診斷進行相關(guān)的活體探究，實驗分別獲取了皮膚黑素瘤、基底細胞上皮瘤、鱗狀細胞上皮癌、日光角化病組織、非典型痣、黑色素痣、藍痣和脂溢性角化病組織的拉曼光譜(圖1)。結(jié)果表明，利用激光拉曼光譜技術(shù)對皮膚癌與來自于良性皮膚損傷部位的癌前組織、黑素瘤與色素沉著導(dǎo)致的非黑色素瘤組織、黑素瘤與脂溢性角化病組織3種情況中的不同組織能夠?qū)崿F(xiàn)明顯的判別與區(qū)分，同時也證實此方法在診斷皮膚癌方面具有很大的潛力。Duraipandian等[15]利用配備有球透鏡作為拉曼探測頭的近紅外拉曼光譜系統(tǒng)對宮頸組織進行活體研究，實驗分別獲取了宮頸正常組織和宮頸癌前病變組織的拉曼光譜，這兩種組織的光譜差異表明拉曼技術(shù)用于活體宮頸異常組織的判別是可行的，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法可使宮頸癌前診斷準確率達到82.9%，這表明拉曼光譜技術(shù)能夠在分子水平上實現(xiàn)對宮頸癌前組織快速、無創(chuàng)的臨床活體診斷。Schut等[20]利用光纖拉曼技術(shù)研究活體小鼠上顎的正常組織、輕度異常組織及口腔鱗狀癌組織的光譜，主成分及線性判別的結(jié)果顯示這3類光譜之間能夠明顯區(qū)分開來，表明激光拉曼光譜技術(shù)可以應(yīng)用于口腔鱗狀癌的早期診斷。除上述研究外，激光拉曼光譜技術(shù)近年來還應(yīng)用在其他組織的活體檢測中[21-24]。以上研究都表明激光拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于生物活體組織研究的可行性，能夠從分子水平上識別發(fā)生病變的組織，為臨床疾病尤其是癌癥的早期診斷提供一種靈敏、可靠的檢測手段。

據(jù)介紹，目前鄉(xiāng)喜配肥站技術(shù)人員正在對配肥站技術(shù)進行升級。在操作使用上，有望達到用手機自動控制，實現(xiàn)施肥自動化操作更加精準、簡易。“我們?yōu)閷崿F(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)邁出了一小步。從目前數(shù)據(jù)來看，我們的近萬畝的示范區(qū)比農(nóng)民常規(guī)灌溉施肥對照區(qū)已產(chǎn)生明顯的區(qū)別。節(jié)水示范區(qū)的數(shù)據(jù)表明，在節(jié)省灌溉水40%的基礎(chǔ)上，玉米長勢喜人，產(chǎn)量有望達到每畝1.1噸。這給了我們很強的信心。我們今年做了近萬畝，預(yù)計明年推廣5萬畝，后期在整個大佘太鎮(zhèn)乃至整個烏拉特前旗進行大面積推廣！”胡克緯表示。

(a) 系統(tǒng)流程圖；(b) 皮膚癌、癌前組織與一般皮膚疾病組織；(c) 黑素瘤與色素導(dǎo)致的良性皮膚疾病組織；(d) 黑素瘤與脂溢性角化病組織

1.2 生物活體組織的拉曼成像檢測

拉曼散射只占據(jù)散射光中很小的一部分，因此拉曼光譜的信號往往很弱，不利于物質(zhì)的定性或定量分析。為了得到高信噪比的拉曼光譜，聚焦在生物組織上的激光光斑直徑往往最大也不過幾微米，對于直徑較小的細胞或者小區(qū)域組織測量，光斑能夠完全覆蓋并得到較為全面的光譜反饋信息，而對于遠大于激光光斑覆蓋面積的細胞(0.1-50 mm)或組織的光譜獲取，這種單點測量技術(shù)顯然不適合。為了盡可能全面地獲取這種大區(qū)域面積組織的光譜信息，最初主要是通過在所測組織中選取幾個具有代表性的測試點，分別獲取其拉曼光譜最后求平均，但這種方法無論從操作手段還是研究結(jié)果上都具有片面性。拉曼成像技術(shù)的出現(xiàn)成功地解決了這一難題。拉曼成像技術(shù)是一種能夠進行快速、高精度面掃描的激光拉曼光譜技術(shù)，一般在幾分鐘之內(nèi)即可獲取大面積樣品的高分辨拉曼圖像[25-27]。近年來拉曼成像技術(shù)應(yīng)用于活體檢測的報道也層出不窮。李雪等[28]以活體小鼠為實驗?zāi)Ｐ停眉す恻c掃描技術(shù)獲取小鼠耳組織不同深度的拉曼光譜，依據(jù)光譜峰歸屬表選取光譜中代表血糖(1 125 cm-1)、脂類(1 300 cm-1)、血紅蛋白(1 549 cm-1)、蛋白質(zhì)分子(1 660 cm-1)的特征峰譜帶進行峰面積計算，根據(jù)峰面積的大小進行灰度成像，得出小鼠耳組織的拉曼成像圖。如圖2所示，拉曼成像圖可以清晰地顯示這些基本物質(zhì)在小鼠耳朵組織中的空間分布情況。在很多實際應(yīng)用中，拉曼成像技術(shù)更多的是與表面增強拉曼技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于腫瘤組織成像、腫瘤邊緣區(qū)域的明確及腫瘤切除手術(shù)的指導(dǎo)。Bohndiek等[29]把4種不同的表面增強納米粒子以一定的濃度混合注射到小鼠體內(nèi)進行擴散聚集，在1 h和2 h后分別利用激光線掃描技術(shù)對小鼠肝臟區(qū)域進行拉曼成像，圖像清晰地顯示了不同時間段每種納米粒子在肝臟中的分布情況，這種激光線掃描成像技術(shù)的速度比傳統(tǒng)點掃描成像快10倍以上，使實時成像技術(shù)成為現(xiàn)實，并結(jié)合表面增強技術(shù)克服了拉曼信號弱這一難題，能夠提供更清晰、高分辨率的拉曼成像圖，為癌組織的診斷和治療奠定基礎(chǔ)。Zavaleta等[30]將5種不同表面增強拉曼探針靜脈注射給活體小鼠，使其靶向吸附小鼠體內(nèi)肺癌組織并對其進行拉曼成像，如圖3所示。圖3a是注射不同的表面增強拉曼探針后對應(yīng)的活體小鼠肺部的拉曼光譜圖，每種表面增強拉曼探針的標識特異性都能從光譜中體現(xiàn)出來，圖3b成像結(jié)果也表明這種多探針方法能夠把癌組織區(qū)域更清晰地呈現(xiàn)出來，與目前常用于癌癥診斷治療的核磁共振和光聲成像相比能夠給出更清晰的癌細胞分布范圍，比如癌嚴重區(qū)和邊緣區(qū)。近年來隨著激光掃描技術(shù)的發(fā)展，拉曼成像技術(shù)目前已經(jīng)成功應(yīng)用于生物活體各個組織器官的診斷和監(jiān)測，高質(zhì)量、高分辨率的拉曼成像有望攻破癌細胞切除手術(shù)上的難題。

掃描面積：40×30×15 μm2；像素點：20×15×4，積分時間：5s/光譜。(a)-(d)：顯微鏡下不同深度小鼠耳組織；(e)-(h)：利用拉曼光譜1 549 cm-1特征峰得到與(a)-(d)對應(yīng)的拉曼成像圖；(i)-(l)：對應(yīng)拉曼超三維成像圖，其中(i)和(m)為立體圖，(j)為切面圖，(k)和(n)為俯視圖，(l)和(o)為側(cè)視圖；(m)-(o)：拉曼反向普通三維成像圖

(a)5種不同拉曼信標分子的表面增強拉曼圖譜：S420(紅色)，S421(綠色)，S440(藍色)，S466(黃色)，S470(橙色)；(b)5種信標分子在小鼠肝臟部位的疊加拉曼成像圖

2 生物活體血液中的拉曼光譜檢測

血液是生命的一種特殊寶貴資源，是生命體的重要組成部分，在生命的延續(xù)中扮演著非常重要的角色：首先血液作為運輸載體把生物機體新陳代謝所需要的養(yǎng)分運送到全身各器官中，并把代謝所產(chǎn)生的廢棄物運送到排泄器官進而排出體外，維持著新陳代謝的正常進行；其次，血液還具有維持體溫相對恒定，內(nèi)環(huán)境中水、電解質(zhì)及酸堿度相對平衡的功能；最后，血液中的血細胞、血漿、白細胞等使生物機體具有抵抗和防御疾病的能力[31,32]。由此可以看出，血液基本參與了機體生命活動的所有過程，且血液中各種成分含量的變化與生命體的健康狀況緊密相關(guān)。目前，血常規(guī)和血液生化分析常作為臨床上疾病診斷的主要參考依據(jù)，它們都是從生物機體中采取血樣，然后把血樣送入分析儀器中進行血細胞計數(shù)、形態(tài)觀測及血液中其他代謝產(chǎn)物含量的測定，再根據(jù)檢測結(jié)果判斷疾病。但是該檢測方法存在以下缺點：(1)檢測過程繁瑣，不適合連續(xù)在線監(jiān)測，且血液樣本在轉(zhuǎn)遞和檢測過程中存在被污染的可能，進而導(dǎo)致測量結(jié)果不準確；(2)需從生物機體中采取血液樣本，會給生物機體帶來心理和生理上的創(chuàng)傷，且有些疾病檢測需要頻繁采集血樣進行分析，從而使生命機體感到不適，甚至威脅生命安全，同時也會導(dǎo)致檢測結(jié)果有偏差。因此迫切需要一種無創(chuàng)在線檢測血液成分的方法，這也是近年來的國際研究熱點，如旋光法、近紅外光譜法、微波法等用于血液檢測的方法都已有大量相關(guān)研究報道，但這些方法多數(shù)仍停留在理論研究和離體實驗階段[33-35]。激光拉曼光譜技術(shù)以其無創(chuàng)、快速的優(yōu)勢已成功應(yīng)用于生物活體組織的研究中，在血液方面也已有大量的研究報道。2011年，孟令晶等[36]利用激光拉曼光譜技術(shù)分別研究了活體小鼠動脈和靜脈血管中的血液及紅細胞，結(jié)果如圖4所示，激光拉曼光譜技術(shù)能夠無創(chuàng)穿透外皮膚組織，成功獲取活體小鼠體內(nèi)血液及紅細胞的拉曼光譜，且從光譜中可以分析出動脈、靜脈血管中血液指標的差異(pH值、去氧態(tài)和攜氧態(tài))，這表明激光拉曼光譜技術(shù)可以作為分析血液指標的工具。牛麗媛等[37]利用激光拉曼光譜技術(shù)獲取活體糖尿病小鼠和正常小鼠白細胞的拉曼光譜并對其進行分析，結(jié)果表明患病小鼠和正常小鼠白細胞光譜之間有著非常明顯的差異，結(jié)合PCA主成分分析法結(jié)果可知，其診斷特異性和靈敏度達到98%，表明激光拉曼光譜技術(shù)有望發(fā)展成為一種通過對血液無損檢測來診斷糖尿病的臨床診斷工具。Shao等[38]利用激光拉曼光譜技術(shù)分別獲取了不同血糖情況下活體小鼠血液的拉曼光譜，對光譜中的1 125 cm-1血糖峰強度進行特征分析，發(fā)現(xiàn)其隨著血糖的變化而變化，且具有良好的線性對應(yīng)關(guān)系，表明激光拉曼光譜技術(shù)能夠通過對血液的分析實現(xiàn)血糖的無創(chuàng)監(jiān)測，為臨床醫(yī)學(xué)上血糖的快速檢測提供多依據(jù)參考。另外，本課題組前期也利用激光拉曼光譜技術(shù)對生物活體血液成分進行了相關(guān)研究[39,40]：首先，利用該技術(shù)建立一種在線檢測動脈血液pH值的方法，通過激光拉曼光譜技術(shù)獲取不同pH環(huán)境下生物活體紅細胞的拉曼光譜并對其進行分析，發(fā)現(xiàn)紅細胞光譜中某些參數(shù)與胞外環(huán)境的pH值之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，該結(jié)果表明激光拉曼光譜技術(shù)可以作為一種快速、無創(chuàng)的血液pH值檢測手段，滿足臨床上在疾病治療以及大型手術(shù)過程中對血液pH值在線監(jiān)測的需求；其次，利用激光拉曼光譜技術(shù)監(jiān)測活體血栓形成過程中動、靜脈血液的光譜(圖5，圖6)，進而從分子水平上了解血栓形成過程中血液成分的變化及動、靜脈血栓形成的區(qū)別，為臨床上溶栓、抗栓藥物的研發(fā)及血栓性疾病的治療提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

(a)耳朵組織；(b)耳朵靜脈血管；(c)耳朵動脈血管；(d)體外全血；(e)活體中靜脈血管紅細胞被捕獲的圖像；(f)活體中動脈血管紅細胞被捕獲的圖像；(g)光鑷捕獲體外紅細胞的圖像；(h)對應(yīng)于(e)-(g)圖像中的拉曼圖譜；(i)對應(yīng)于(b)-(d)圖像中的拉曼圖譜

DL：二極管激光器；OI：光隔離器；L：透鏡；M：反射鏡；HNF1、HNF2、HNF3：陷波濾波片；SM1、SM2：掃描對鏡；DM：二向色鏡；Bs：分束器；EP：目鏡；VC：攝像機；Lamp：光源 (560 nm)；PH：聚焦小孔；BS：光整形器

插圖為基線校準和歸一化后的圖譜

3 展望

激光拉曼光譜技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)分子級水平的檢測，具有實時性、無創(chuàng)性、快速性、特異性等特點，是一種高靈敏度的監(jiān)測手段。除此之外，激光拉曼光譜技術(shù)與活體檢測結(jié)合能夠在生物機體心理和生理不受任何創(chuàng)傷的情況下獲取真實的原位探測，其探測結(jié)果的客觀真實性對于生物醫(yī)學(xué)研究非常有必要。近年來，激光拉曼光譜技術(shù)的活體探測已經(jīng)成功地應(yīng)用于人體及動物各種組織器官的研究中，其在生物醫(yī)學(xué)檢驗中的作用也越來越凸顯；且有關(guān)拉曼光譜的研究也出現(xiàn)了一些新的技術(shù)融合，例如表面增強拉曼光譜技術(shù)、激光光鑷拉曼光譜技術(shù)、微流控拉曼光譜技術(shù)、熒光/相差顯微鏡拉曼光譜技術(shù)、共振拉曼光譜技術(shù)等，這些技術(shù)在繼承激光拉曼光譜技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，進一步擴大了激光拉曼光譜技術(shù)在生物活體研究中的應(yīng)用范圍。但激光拉曼光譜技術(shù)在活體檢測中的應(yīng)用也存在很多亟待解決的問題，例如到目前為止還沒有一個可供查詢特征峰歸屬的統(tǒng)一的拉曼數(shù)據(jù)庫，生物活體實驗中如何排除復(fù)雜組織和成分的干擾得到高信噪比的拉曼光譜，活體實驗的建模及操作，如何建立針對具體疾病的拉曼檢驗標準，怎樣更好地與現(xiàn)行主流檢驗體系相融合等。因此，激光拉曼光譜技術(shù)在生物活體研究中大面積普及依然任重道遠。

（二）引介者的再敘述相當于文本的再創(chuàng)造。閱讀過程中，兒童讀者的接受思維處于較為被動的感悟狀態(tài)，在思辨思維較弱的環(huán)境中，引介者就占據(jù)了信息渠道，成為作者的信息代言。于是，究竟是“鳳凰涅槃”還是“鳩占鵲巢”，取決于引介者的審美經(jīng)驗和話語態(tài)度?！傍P凰涅槃”式的閱讀引導(dǎo)，在引介者主體經(jīng)驗的轉(zhuǎn)換中已經(jīng)實現(xiàn)了文本的超越，能夠沉積兒童讀者審美經(jīng)驗；“鳩占鵲巢”式的閱讀混入諸如淺層解構(gòu)，錯誤解構(gòu)，各種思想觀念的代言解構(gòu)等信息屏障，只會將兒童文學(xué)的信息引向負面的方向。