[科普中国]-生物医学光谱学

生物医学光谱学(Biomedical spectroscopy)是综合生物、医学科学和光谱学（主要指分子光谱学范畴）的理论和方法而发展起来的交叉学科，主要目的是通过利用各种光谱技术方法，为生物医学领域的基因、分子、蛋白、组织等各种对象提供快速、无损、非标记的检测，同时利用光谱数据获得的综合信息开展物质分子成分的定性、定量检测，相关疾病的光谱诊断及人体健康状况综合检测与评估。

研究内容及研究方法光谱学的研究归根结底是基于光与物质相互作用的原理，生物医学光谱学研究内容主要利用各种光与物质作用时所产生的作用现象，通过对一系列波长范围的光与物质作用的观察和测量，从而实现对物质含量，结构组成等信息的获取，结合一些数据处理方法，进而实现从分子水平到组织水平的光谱检测和光谱诊断。目前光谱学的主要研究方法有：

1.紫外-可见-近红外吸收光谱分子在吸收光能后产生价电子，价电子在不同能级间会发生跃迁，处于稳定状态的基态分子跃迁到不稳定的高能态就会形成吸收光谱。因而，利用不同物质分子在不同波段的对光的吸收性质，可对无机化合物、有机化合物及生物大分子进行定性和定量的分析检测，如：DNA定量和酶标仪

2.红外光谱红外光谱是一种分子吸收光谱，在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。用红外光照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。目前常用的红外光谱系统主要为傅里叶变换红外光谱仪，主要应用于甲状腺、乳腺、胃肠道等肿瘤组织的诊断研究。

3.荧光光谱荧光是物质吸收电磁辐射后受到激发，受激发原子或分子在去激发过程中再发射波长与激发辐射波长相同或不同的辐射。荧光光谱是指当荧光物质在固定的激发光源照射后所产生的分子荧光强度随发射波长变化的关系曲线。它表示在所发射的荧光中各种波长组分的相对强度。荧光光谱包括激发谱和发射谱两种。荧光光谱在生物医学中的主要应用有皮肤、鼻咽、胃肠道等肿瘤组织的荧光光谱诊断研究。

4.反射光谱入射光在样品表面反射所得的光谱叫反射光谱。反射光谱通常在样品的最大吸收处附近有最小反射。反射光谱可分为内反射光谱、漫反射光谱、镜面反射光谱和外反射光谱。生物医学上的应用主要有漫反射光谱。如人体舌苔的漫反射光谱研究，为中医症候的深入研究提供可量化的比较参数。

5.拉曼光谱拉曼散射是由印度科学家C.V.拉曼（Raman）在1928年所发现的光的非弹性散射效应。拉曼散射效应是光子与光学支声子相互作用的结果。在拉曼谱线中有比激发光波长长和短的成分，把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。迄今为止，拉曼光谱已经应用于各种生物医学组织的体内和体外检测，如用于各种癌的早期诊断、药物与组织作用的检测以及人体体液中重要物质分子含量的非标记检测。

应用与发展前景物质成分的定性、定量检测主要是利用光与生物分子相互作用时表现出的吸收、透射、散射等行为的改变，进而通过出射光谱的测量，获得反映生物分子浓度或者相对含量的光谱强度信息或光谱频率改变信息。基于特定物质分子表现的光谱特征峰，有望为生物医学中特定（或多种）物质成分含量提供无损、非标记的检测方法。值得一提的是，目前已有研究人员初步实现基于人体血液的多种含量成分（如胆固醇、白蛋白、葡萄糖等）浓度的无需检测试剂的光谱定量检测，目前检测精度还有待提高。相信随着光谱仪器性能的提高，在确保获得高信噪光谱数据的同时，通过开发、利用更加高效、可靠的光谱数据处理方法，有望为生物组织样品（尤其是体液样品）的多物质成分的实时定量检测提供可能。

人体疾病或健康状况的检测显然正常和异常的生物细胞、组织、器官，其内部某些物质的生化结构和相对物质含量客观上存在差异，因而通过获得可反映这些生化差异的光谱信息，进而为寻找基于光谱方法的用于区分正常、异常细胞、正常和疾病的组织、器官提供可行性。

将光谱技术应用于人体疾病尤其肿瘤的早期检测诊断研究已不再新鲜，光谱技术目前已广泛应用于人体组织内外、组织器官或体液等多模式、多形态的检测。然而值得一提的是，应用于人体组织疾病诊断的光谱方法研究目前尚处于基础研究或者临床前研究阶段。基础研究结果较多，但可成功应用于临床的技术方法尚未见报道。基于光谱方法的医学临床应用无疑存在检测灵敏度或特异性不够理想的问题，原因主要有：首先与疾病发病机理相对应的物质成分的生化改变尚不明确。另外，人体组织结构成分复杂，不同成分的光谱差异往往较小，而不同组织个体间的差异往往很大，因而使得刻画、构建正常和疾病组织光谱参数模型存在极大困难。因此，光谱方法在生物医学的应用除了继续提高仪器系统的检测性能外，对光谱数据信号的有效提取及分析显得十分重要，即如何从那些差异看似微小的大数据中提取重要的、可靠的光谱数据信息对于推动光谱在生物医学中的应用具有十分重要的作用。相信随着光谱仪器性能的提高及仪器小型化、便携化的发展，在不久的将来有望实现操作简便、检测灵敏的可实时反映人体健康状态的光谱检测新技术。

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本词条内容贡献者为:

黄祖芳 - 助理研究员 - 福建师范大学光电与信息工程学院陈荣 - 教授 - 福建师范大学光电与信息工程学院