楊引君，何萬慶，柳永明，孫對兄

（1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)臨床學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省中醫(yī)院脊柱骨科，甘肅 蘭州 730000；3.西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）是由激光器產(chǎn)生一束高能脈沖經(jīng)聚焦透鏡聚焦后作用于樣品靶表面，靶表面聚焦處溫度迅速上升，使得靶表面迅速向外噴射大量的熔融粒子，熔融粒子通過對激光能量的吸收和自身的碰撞被進(jìn)一步的分解、電離形成激光等離子體，然后利用光學(xué)系統(tǒng)對等離子體進(jìn)行收光，探測器記錄光譜，最終在PC端對光譜信息進(jìn)行提取記錄波長和強(qiáng)度進(jìn)行分析的一種分析技術(shù)，它具有快速、便捷、遠(yuǎn)程、微損、樣品制備簡單及多元素快速分析等優(yōu)勢[1-2]。隨著這項(xiàng)技術(shù)的逐步完善成熟，已經(jīng)從一種簡單的元素分析技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可應(yīng)用的技術(shù)[3]，在考古、地質(zhì)土壤、食品安全、液體監(jiān)測、法醫(yī)鑒定、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。夏志林、孔令昊[4]等通過紫外光照凝膠固化-納米顆粒增強(qiáng)LIBS檢測強(qiáng)酸性液體，測得其中Cu2+、Ni2+和Zn2+三種離子的檢出限分別為1.489、1.512和4.886mg/L，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線線性良好，表示該技術(shù)對強(qiáng)酸性廢水中重金屬分析具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。張超、朱林[5]等采用便攜式LIBS裝置，檢測河道沉積物中的Zn元素，結(jié)合等離子體特征的標(biāo)準(zhǔn)化方法減少光譜波動，并用BPNN算法對沉積物中的Zn元素的濃度進(jìn)行預(yù)測，同時于2019年3月現(xiàn)場試驗(yàn)，將預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室原子吸收分光光度法（AAS）檢測結(jié)果比對，兩者所測濃度具有良好的一致性，平均誤差為8.3%。Christopher[6]等基于手持LIBS對金伯利巖地幔捕虜體的鋸切巖心表面快速定性，利用其對低原子序數(shù)元素（如Li和Na）微尺度分布的敏感性，繪制出交代礦物的細(xì)脈和顆粒邊界。

1 技術(shù)原理

LIBS技術(shù)是一種實(shí)時快速的光譜探測技術(shù)，對固體、液體、氣體等諸多樣品都可以做出有效檢測。其原理主要為由一束高能量激光脈沖作用于樣品表面，樣品表面吸收激光能量形成呈現(xiàn)電中性的等離子體，此時處于激發(fā)態(tài)的原子、離子等將從高能級躍遷到低能級，并發(fā)射攜帶樣品中元素信息的連續(xù)光譜，分析其特征譜線的波長和強(qiáng)度，即可獲得樣品中元素的種類和含量信息，從而實(shí)現(xiàn)對樣品中待測元素的定性和定量的分析[7]。需注意由于樣品環(huán)境發(fā)生變化，故采集結(jié)果會相應(yīng)出現(xiàn)輕微差異，在后期分析過程中可對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理及PAC降維以減少誤差。

其裝置可簡述為由激光器發(fā)出一束高能激光，經(jīng)反射鏡反射，聚焦透鏡聚焦至樣品表面，在樣品表面產(chǎn)生等離子體，由收光透鏡對等離子體發(fā)光進(jìn)行收集，經(jīng)光纖傳輸?shù)焦庾V儀進(jìn)行分光， ICCD進(jìn)行探測，最后由電腦對光譜信息進(jìn)行提取。激光器多選基頻為1064nm的Dd:YAG脈沖激光器，重復(fù)頻率及輸出激光能量依據(jù)不同需要而調(diào)節(jié)。

圖1 L IBS裝置示意圖

2 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

LIBS作為一種新興的光譜探測技術(shù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，閱讀大量文獻(xiàn)，其應(yīng)用目前主要集中于組織、骨骼、血液及藥物四個方面。

2.1 組織方面

皮膚是人體最大的器官，從解剖學(xué)角度可以解釋為是由表皮（復(fù)層扁平上皮）與真皮（結(jié)締組織）兩層結(jié)構(gòu)組成并披覆在人體表層，直接與外界環(huán)境相接觸的組織。中醫(yī)認(rèn)為，皮屬“五體”之一，具有衛(wèi)外以防御外邪，開闔以調(diào)節(jié)呼吸及代謝的作用。外界因素的作用?？梢鹌つw組織的異常改變，同時伴隨相應(yīng)元素的變化，通過LIBS技術(shù)對皮膚樣品進(jìn)行定性定量分析以鑒別診斷或探查某項(xiàng)元素的含量變化，是當(dāng)前比較常見的一種醫(yī)學(xué)應(yīng)用手段。如祝銘、陳秉靈[8]等采用LIBS技術(shù)對四組病例的皮內(nèi)組織和真皮組織的Ca元素和Na元素定量檢測并建立數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)LIBS對兩種組織的區(qū)分成功率可達(dá)97.5%。K amili Asma[9]等通過LIBS對單峰駱駝皮膚中的鋅元素含量進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)皮膚中Zn的含量在115±60（外側(cè)）和(94±82)ppm（內(nèi)側(cè)）之間，且其含量由外到內(nèi)依次降低，為健康駱駝與患皮膚病駱駝皮膚中鋅營養(yǎng)水平的鑒別提供的新方法。

惡性腫瘤的診斷與治療仍是目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的難點(diǎn)與重點(diǎn)，尤其是惡性腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)與診斷對于治療有著至關(guān)重要的作用。其致病原理可簡述為機(jī)體細(xì)胞因受到某些因素影響，發(fā)生異常增生與分化，嚴(yán)重破壞正常的組織與器官。由于增生分化后的新組織生長不受正常機(jī)體生理調(diào)節(jié)，一旦形成，便不會因病因消除而停止增長。所以對于惡性腫瘤的發(fā)現(xiàn)越早則越容易治愈。當(dāng)前對于腫瘤的診斷除癥狀及體征以外，最常用的是血清學(xué)（酶學(xué)、糖蛋白、酶相關(guān)抗原等）檢查、影像學(xué)（X線、CT、MRI）以及超聲檢查等。但這類檢查對于癌的早期診斷并不典型，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展，對腫瘤的診斷雖優(yōu)，但耗時且昂貴，此時，病理組織學(xué)檢查恰可以提供另外一種手段。利用LIBS技術(shù)對采集到的惡性組織進(jìn)行元素檢測，可以明確提示元素的異常變化。楊思博[10]基于LIBS技術(shù)對乳腺癌組織中的K、Ca、Na、Mg四種元素定性定量，得到關(guān)于這四類元素的LIBS光譜及分布圖像，經(jīng)聚類分析后建立了乳腺癌的判別診斷模型，實(shí)現(xiàn)了癌細(xì)胞團(tuán)的可視化。王靜[11]等采用LIBS技術(shù)，結(jié)合主成分分析（PCA）和支持向量機(jī)（SVM）對正常組織和宮頸癌組織中微量元素的含量進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)癌變組織中的Na、Mg、K三種元素的歸一化峰強(qiáng)度明顯高于正常組織，而正常組織中Ca的歸一化峰強(qiáng)度高于宮頸癌組織，為利用LIBS技術(shù)診斷腫瘤組織提供了初步研究基礎(chǔ)。

2.2 骨骼與牙齒

骨者，為干，髓之府也，為腎所主，精血所養(yǎng)。具有支持形體、保護(hù)內(nèi)臟器官，藏髓生血以及運(yùn)動的功能。從現(xiàn)代醫(yī)學(xué)角度來看，骨骼是一種代謝活躍的結(jié)締組織，是一種由有機(jī)材料和無機(jī)材料組成的復(fù)合材料，其中60%為無機(jī)成分，主要由鈣鹽和磷酸鹽組成[12]。所以，除了上述功能，骨骼還具有儲藏礦物質(zhì)與生長因子、調(diào)節(jié)礦物質(zhì)和酸堿穩(wěn)態(tài)的作用[13]。特別是鈣元素的存在，使得骨代謝與維持鈣穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)[14]。中華醫(yī)學(xué)會骨質(zhì)疏松和骨礦鹽疾病學(xué)會在《原發(fā)性O(shè)P診療指南（2017）》中將人一生的骨骼生長發(fā)育分為三期：Ⅰ期為骨骼生長發(fā)育期（約20歲之前，即成年前），該階段機(jī)體鈣攝入量超過排出量，處于正鈣平衡，骨量持續(xù)增長（骨形成大于吸收）；Ⅱ期為成年期（20～40歲），人體骨骼生長發(fā)育至頂峰，鈣攝入與排出大致相當(dāng)，代謝零平衡，骨量維持于峰值（骨形成與吸收相當(dāng)）；之后伴隨年齡上升，機(jī)體對于鈣元素的吸收和攝入量均減少，且吸收大于形成，鈣排出增加，形成慢性負(fù)鈣平衡，骨量丟失，此為Ⅲ期[15]。對于骨骼發(fā)生的疾病，《素問·痿論》提出：“是人者，素腎氣勝，以水為事，生于骨，腎氣不生，則髓不能滿，故寒盛至骨也。”從中醫(yī)角度論述，骨病當(dāng)分虛實(shí)，實(shí)者寒、濕、瘀停滯于肌肉筋骨，不通則痛；虛者年老體衰，腎精虧虛，脾陽不足，四肢百骸失養(yǎng)，不榮則痛[16]。故當(dāng)骨骼系統(tǒng)發(fā)生疾病時，無論虛實(shí)，均會引起自身元素的改變，通過光譜技術(shù)對骨骼元素的定性定量分析，將成為研究骨骼疾病的新手段。但目前利用LIBS對骨骼醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用較少見。Alicia[12]等采用無校準(zhǔn)LIBS（CF-LIBS）方法對野豬肋骨中的元素定性、定量分析，將光譜范圍從UV-NIR擴(kuò)大到VUV區(qū)域獲得SB圖線，通過計(jì)算得到樣品的Ca、P，從而對野豬肋骨中的羥基磷灰石作出相應(yīng)描述。Alicia Marín Roldán[17]等利用CF-LIBS結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）對不同個體的野生鹿骨骼進(jìn)行了識別和重組，為利用骨骼元素組成來提供足夠信息以正確辨別不同個體提供了可能，為法醫(yī)學(xué)及考古學(xué)研究提供了更多手段與方法。

牙齒作為人體用來咀嚼食物的重要工具，不同于骨骼，其組成由牙釉質(zhì)、牙骨質(zhì)、牙本質(zhì)和牙髓腔組成，其中無機(jī)質(zhì)占據(jù)主要成分。目前LIBS技術(shù)在牙科方面的應(yīng)用廣泛，大部分并非精確的定量測量，而是用于識別和分類，比如對齲齒的鑒別等。Trisnawati、Krisandi[18]等基于LIBS的主成分分析（PCA）算法，對數(shù)據(jù)線性基線校正、面積歸一化等預(yù)處理后，清晰地對人體牙齒表面的部分進(jìn)行了聚類和區(qū)分，得出牙本質(zhì)表面具有最高的均一性的結(jié)論。HSuyanto[19]等利用LIBS技術(shù)在55 mL/s的氦氣中對人體牙本質(zhì)和牙釉質(zhì)中的元素定性測量，發(fā)現(xiàn)印尼人的牙齒元素組成包括Ca、F、Si、Zn、Na、Sn、Ar等諸多元素。Asmaa N. Ahmed[20]等利用LIBS、SEM與EDS對不同樣本的智齒結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)女性牙齒間Ca、K、Mg、Na、Sr的比值變化較大，并且，Sr和Mg的含量也在隨著年齡的增加而增加。

2.3 血液及其他液體

當(dāng)前，利用LIBS技術(shù)在液體元素的檢測中應(yīng)用十分廣泛，葉松、陶玉恒[21]等基于超疏水效應(yīng)結(jié)合LIBS對水中鉛元素做了快速檢測；R ipoll L[22]等首次研究了基于薄膜微萃取結(jié)合LIBS對水中Cu、Cr、Ni和Pb等痕量元素進(jìn)行了定性定量檢測。但其在人體血液及其他液體的應(yīng)用仍相對少見。

正常人體組成中約有70%為水分，而組成人體的這部分由水及溶解在其中的無機(jī)鹽、有機(jī)質(zhì)構(gòu)成的液體即為體液，分為細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液，其中血漿和組織間液則屬于細(xì)胞外液。當(dāng)人體發(fā)生疾病時，通常會引起血液及其他相關(guān)液體(如腦脊液、關(guān)節(jié)液、消化液等)的異常表現(xiàn)。通過利用LIBS技術(shù)對相應(yīng)液體中的元素濃度變化進(jìn)行檢測，可為臨床診斷及治療提供更多途徑及建議。N oureddine Melikechi[23]等通過利用LIBS結(jié)合線性判別分析(LDA)和隨機(jī)森林分類技術(shù)，對轉(zhuǎn)基因卵巢癌小鼠和野生型對照小鼠的血漿標(biāo)本進(jìn)行分類和區(qū)分，結(jié)果提示LIBS和多變量分析可能是一種檢測卵巢癌的新方法。Alsharnoubi J,Nassef Y[24]等采用LIBS技術(shù)對地中海貧 血患者的血清中鐵、鈣、鋅、銅元素水平變化進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)地中海貧血患者血清中鐵水平明顯升高。張瑤[25]基于血清LIBS技術(shù)對153例不同分期的淋巴瘤患者的血清樣本繪制光譜，與正常人對比，獲得淋巴瘤診斷、分期、分型的最高正確率為95.1%、100%、96.4%，為淋巴瘤的快速鑒別診斷提供了一種新可能。

2.4 中藥材及其他藥品

中藥是我國醫(yī)學(xué)文化的瑰寶，是在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)傳入中國前醫(yī)治疾病之根本。《神農(nóng)本草經(jīng)》是我國現(xiàn)存最早的一部藥物學(xué)專著，將中藥分為上、中、下三品，提出：“上藥，主養(yǎng)命以應(yīng)天，無毒，多服久服不傷人”“中藥，主養(yǎng)性以應(yīng)人，無毒有毒，斟酌其宜”“下藥，主治病以應(yīng)地，多毒，不可久服”。另外，中藥還當(dāng)分寒、熱、溫、涼四性，酸、苦、甘、辛、咸五味，依醫(yī)家正確辨證而組方施治。由于當(dāng)前中藥材市場的火熱，個別商家著眼于眼前利益，對其所植的中藥材使用非正常手段種植，致重金屬元素超標(biāo)、品質(zhì)殘差；此外，部分同一藥物的不同部位，其藥效也可有明顯不同，比如麻黃莖，具有發(fā)汗解表、利水消腫之功效，而麻黃根相反，具有固表止汗之效，一者為宣，一者為澀。目前LIBS在藥學(xué)方面的應(yīng)用主要在于對中藥材品質(zhì)的鑒別、同一藥株不同部位藥性的判定及重金屬含量的檢測（藥物毒性）。鄭培超、鄭爽[26]等采用隨機(jī)森林分類模型結(jié)合LIBS對5個等級的石斛樣品建模，測得平均識別率為96.46%，提示LIBS為快速鑒別石斛等級與分類具有可行性。F idaF.Al Adel[27]等采用LIBS和X射線光電子能譜（XPS）對肉桂的元素組成進(jìn)行分析，得出肉桂含有Na、K、Fe、Cd、Mg、Mn、Ni、Ba、Si、Ca、O、K等諸多元素，其中K的存在解釋了其在利尿治療高血壓時的藥用作用。傅院霞、唐永強(qiáng)[28]等利用LIBS對茯苓、當(dāng)歸、雞血藤和佛手四種藥物檢測分析，四者均含有微量元素Fe，茯苓和佛手雞血藤均含有Ca元素和Na元素，佛手、當(dāng)歸及雞血藤均含有Cu元素。此外，LIBS對于保健藥物中所含元素的定性定量分析也較為廣泛。比如Sobia Nisar、Ghulam Dastgeer[29]等利用LIBS技術(shù)對鈣片中存在的元素進(jìn)行了檢測，并將Ca、Mg、Fe、Zn等元素所測近似量與規(guī)定量比對發(fā)現(xiàn)結(jié)果完全一致。

3 結(jié)論及展望

骨質(zhì)疏松癥是一類臨床常見的骨科疾病，以骨骼骨量減少，密度降低，組織微結(jié)構(gòu)損壞，脆性增加為特征。而疏松的骨質(zhì)因受到輕微的應(yīng)力發(fā)生骨折，一直是老年人致殘乃至致死的主要原因之一。如果有一種方法可以對危險人群進(jìn)行早期篩查識別并給予適當(dāng)治療即可有效降低骨折風(fēng)險。然而對于骨骼完整性的維持需要重復(fù)經(jīng)歷一個叫做“骨重建”的過程，包括破骨細(xì)胞骨吸收過程及成骨細(xì)胞骨形成過程。骨質(zhì)疏松的發(fā)生多是由于體內(nèi)激素分泌異常，刺激破骨細(xì)胞而抑制成骨細(xì)胞，骨吸收/骨形成比值升高，導(dǎo)致成骨細(xì)胞主導(dǎo)的羥基磷灰石沉積礦化減弱，最終骨骼脆性增加[30]。當(dāng)前對于骨質(zhì)疏松的治療除改善生活方式、給予抗骨質(zhì)疏松藥物外，鈣劑與維生素D是調(diào)節(jié)骨健康的基本補(bǔ)充劑之一。然目前上市的鈣片中鈣含量各不相同，且各患者骨質(zhì)疏松情況不一，利用LIBS技術(shù)對骨質(zhì)疏松患者的骨質(zhì)與正常人骨質(zhì)中的礦物元素定性定量分析，對于更好地指導(dǎo)用藥，有效改善骨質(zhì)疏松癥大有裨益。

腰椎間盤突出是影響諸多患者正常生活的常見病之一，常引起患者腰腿痛及下肢坐骨神經(jīng)放射癥狀。對于其發(fā)病機(jī)制，椎間盤退行性變學(xué)說認(rèn)為，當(dāng)椎間盤發(fā)生退行性改變時，主要表現(xiàn)為早期髓核及纖維環(huán)水分降低，蛋白聚糖流失，后期則因髓核及纖維環(huán)水分丟失嚴(yán)重逐漸失去彈性及膨脹功能，在外力因素下，致椎間盤萎縮及彈性下降，髓核突出[31]。將LIBS技術(shù)應(yīng)用于退變的椎間盤，對于評價其退變程度及診斷，可以提供有效助力。另外，腰椎結(jié)核、布氏桿菌性脊柱炎、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等骨科感染性疾病來說，基于LIBS技術(shù)在微生物學(xué)方面的廣泛應(yīng)用，必將提供另一大助力。饒剛福、黃林[32]等采用LIBS技術(shù)結(jié)合主成分分析法與隨機(jī)森林主成分分析法，鑒別了10種微生物樣品種類，結(jié)果發(fā)現(xiàn)預(yù)測集總準(zhǔn)確率與訓(xùn)練集總準(zhǔn)確率均在96%以上，提示對LIBS光譜合理地預(yù)處理并構(gòu)建合適模型，對微生物種類的快速鑒別即具有可行性。骨科學(xué)作為整個醫(yī)學(xué)體系中不可或缺的一部分，由于骨骼的特殊性，LIBS技術(shù)的應(yīng)用在日后必然會大放異彩。

中藥材不僅是我國瑰寶，中成藥的發(fā)展也成為當(dāng)前中醫(yī)學(xué)及藥學(xué)領(lǐng)域的一大成就。這是一類采用傳統(tǒng)中藥材作為原料，在中醫(yī)藥理論指導(dǎo)下，依據(jù)特定處方和制劑工藝而制成的中藥制劑，為達(dá)到預(yù)防及治療疾病的目的。相較于傳統(tǒng)中醫(yī)的中藥湯劑，具有服用、攜帶、儲存方便的特點(diǎn)，對于相關(guān)疾病的療效也是有喜人的表現(xiàn)。杜仲腰痛丸作為深受患者歡迎的一味中成藥，由岷當(dāng)歸、膠木、大牛膝、明沒藥、土元等共17味中藥組成[33]，在治療腰椎間盤突出引起的腰腿痛方面具有明顯療效；透骨血竭散作為一劑廣泛用于治療關(guān)節(jié)炎、滑 膜炎的中成藥，聯(lián)合來氟米特片對活動期類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者療效顯著[34]。如利用LIBS技術(shù)用于對中成藥所含元素的測定，不僅可以判定重金屬含量，更可以對藥物元素組成定性定量分析，與由疾病引起的機(jī)體元素變化相比對，將可以為解釋藥物療效及作用機(jī)制提供一種新角度。

當(dāng)然，依據(jù)LIBS對固體、液體及氣體均可檢測的優(yōu)勢，將LIBS技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于機(jī)體尿液、唾液、消化液及膿性分泌物等的檢測，也必將為內(nèi)科疾病的診療提供新手段。醫(yī)學(xué)發(fā)展無窮無盡，唯有不斷的一次次嘗試與創(chuàng)新，才會一步步推動其進(jìn)步，LIBS技術(shù)作為一種新型的原子發(fā)射光譜分析技術(shù)，相信未來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用定會更加廣泛。