拉曼光谱仪应用之生物医疗检测

在精准医疗时代，生物医学检测正从传统的形态学观察迈向分子水平的深度解析。疾病的发生往往始于细胞内蛋白质、核酸、脂质等生物大分子的构象或含量变化，而这些变化在早期阶段难以通过常规影像学或生化检测捕捉。传统检测方法（如荧光标记、组织切片染色等）因存在破坏性、耗时久、灵敏度不足等问题，逐渐难以满足临床诊断和科研需求。拉曼光谱仪作为一种非侵入性、无损检测的分析工具，能够快速、准确地获取生物组织的化学组成和结构信息，凭借其独特的优势，为生物医学研究和临床应用提供了新的手段和视角。

一、技术原理

拉曼光谱是基于光与物质相互作用时发生的拉曼散射现象。当激光照射到生物组织上，组织中的分子会与光子相互作用，导致光子的频率发生改变，这种改变与分子的振动、转动等运动有关。通过检测散射光的频率变化，可以得到生物组织的拉曼光谱，从而反映其化学组成和结构信息。

当激光与生物分子相互作用时，约0.1%的光子发生非弹性散射（拉曼散射），其频率偏移（拉曼位移）与分子振动模式一一对应，形成“分子指纹”光谱。例如，蛋白质的酰胺I带（1650 cm⁻¹）、脂质的C-H伸缩振动（2850 cm⁻¹）等特征峰可反映细胞代谢状态。

图1 拉曼光谱技术原理

针对不同样品，需使用不同激发波长的拉曼光谱仪，因为不同波长的激光与样品相互作用的效果存在差异。较短波长（如532nm、633nm）的激光能量较高，能够获得较强的拉曼信号，但容易引起荧光干扰和样品损伤，适用于对信号强度要求高且荧光干扰低的样品；较长波长（如785nm、1064nm）的激光能量较低，荧光干扰小，对样品损伤小，且具有更好的组织穿透能力，适用于检测具有强烈荧光的生物样品以及需要深入组织检测的情况。

表1 不同激发波长拉曼光谱仪优缺点与典型应用

二、技术优势

1、分子级 “指纹” 识别：特异性检测突破

通过分析拉曼位移（cm⁻¹）对应的分子振动模式，可区分同分异构体（如葡萄糖与果糖）、识别蛋白质构象变化（α-螺旋→β折叠），实现对生物标志物的精准定量。

2、无损检测：从离体到活体的跨越

拉曼光谱仪能够在不破坏生物组织结构的前提下进行检测，这对于生物医学领域中珍贵的生物样本或需要保持组织完整性的研究尤为重要。它可以提供生物组织的化学信息，而无需对样品进行复杂的预处理或破坏性处理。

例如：皮肤癌筛查：785nm波长穿透表皮，通过检测类胡萝卜素（1525 cm⁻¹）与黑色素（1360 cm⁻¹）的光谱变化，区分良恶性病变；胎儿血氧监测：利用光纤探针经母体腹壁采集胎儿血液拉曼光谱，实时监测血红蛋白氧合状态，替代传统有创采血。

3、多维度检测：从单光谱到成像的拓展

拉曼光谱仪可与显微镜结合使用，构建组织切片的三维化学图谱。例如：肿瘤微环境分析：通过检测胶原（875 cm⁻¹）与 DNA（785 cm⁻¹）的空间分布，揭示肿瘤侵袭边界与基质重塑关系；药物递送监测：追踪纳米颗粒在细胞内的分布轨迹，量化阿霉素（1360 cm⁻¹）在细胞核的富集效率。

4、快速响应：即时诊断的技术支撑

便携式拉曼光谱仪能够在短时间内获取生物组织的拉曼光谱，从而快速分析生物组织的化学组成和结构。这对于需要及时诊断和决策的临床场景非常关键，可以大大缩短检测时间，提高诊断效率。

5、便携化设计：从实验室到床边的延伸

便携式拉曼光谱仪具备轻量化与模块化设计的优势，可用于社区医疗筛查和现场快速检测。例如，它可作为车载拉曼设备下乡开展糖尿病视网膜病变早期检测，助力基层医疗。在灾难现场救援时，能通过检测血清中C反应蛋白（1450 cm⁻¹）浓度，快速评估伤员感染风险，为救援决策提供科学依据。

6、成本效益优化：普惠医疗的新路径

无需抗体 / 荧光标记等耗材（传统检测单次成本超 $50，拉曼检测仅需 <￥5），且采用全固态激光器与密封光路设计，年均维护成本仅为传统设备的 1/10。通过消除化学试剂依赖与简化维护流程，大幅降低了长期使用成本，为基层医疗筛查、现场快速检测等场景提供了高性价比的技术支撑，推动精准医疗向普惠化发展。

7、技术创新趋势

表面增强拉曼（SERS）：通过纳米金基底将检测灵敏度提升至单分子水平，适用于循环肿瘤 DNA（ctDNA）痕量检测。

超分辨拉曼显微术：结合受激发射损耗（STED）技术，突破衍射极限至 50nm，实现亚细胞结构的精细分析。

多模态融合：与光学相干断层扫描（OCT）、质谱联用，构建 “结构+化学” 双重维度的诊疗体系。

三、应用领域

1.疾病诊断

肿瘤检测：拉曼光谱技术可用于检测肿瘤组织实体、病理切片、患者血清、单细胞及标志物，通过分析肿瘤组织与正常组织的光谱差异，实现肿瘤的早期诊断和病情监测。

微生物检测：结合机器学习技术，拉曼光谱可快速准确识别临床样本中的细菌感染，区分病原菌种类，并用于抗生素敏感性测试，大大缩短检测时间。

其他疾病检测：可用于检测血液、唾液等体液样本，辅助诊断炎症性疾病、自身免疫性疾病等，如通过分析唾液成分辅助诊断炎症性肠病。

2.细胞与组织研究

细胞层面研究：拉曼光谱可实现细胞的静态识别分类和动态变化监测，如细胞分裂、分化等过程，帮助深入了解生理和病理过程。

组织工程与再生医学：可用于监测组织工程支架材料的生物相容性、降解情况以及细胞在支架上的生长和分化状态，为组织工程和再生医学研究提供重要依据。

3.药物研发与监测

药物相互作用研究：可用于监测药物与生物分子的相互作用，如药物与蛋白质、核酸等的结合情况，为药物设计和筛选提供重要信息。

药物代谢监测：通过检测生物样本中的药物代谢产物，了解药物在体内的代谢过程和分布情况，为药物剂量调整和疗效评估提供依据。

4.医疗器械与设备

手术导航：结合拉曼光谱技术的手术导航系统，可实时提供手术区域的组织信息，帮助医生更精准地进行手术操作，如在神经外科手术中识别肿瘤组织与正常脑组织的边界。

植入式设备监测：可用于监测植入式医疗器械周围的组织反应和生物分子变化，评估植入物的生物相容性和长期稳定性。

5.技术突破与未来趋势

多模态联用：拉曼与质谱、荧光技术结合，构建多维分子图谱（如拉曼-质谱联用系统）。

活体深穿透成像：近红外二区SERS探针（如金纳米星）实现皮下肿瘤的毫米级深度成像。

空间转录组学联用：将拉曼成像与原位测序技术结合，绘制组织样本的分子功能图谱。

微型化植入式传感器：开发毫米级拉曼探针，可用于实时监测糖尿病患者血糖（1040 cm⁻¹）波动。

AI 辅助诊断系统：构建包含100万例光谱数据的深度神经网络，实现多模态疾病诊断（如眼底拉曼图像 + OCT 影像联合分析）。

四、解决方案

4.1 测试系统组成

拉曼光谱仪主机：内部含激光器和光谱仪。激光器用于产生稳定的激光光源，以激发样品产生拉曼散射；光谱仪用于接收拉曼散射信号，并分离不同波长的拉曼散射光，以获得最终拉曼光谱图。

拉曼探头：用于将激光聚焦到样品上，并收集散射回来的拉曼信号。光纤探头具有灵活性，可适配不同的测量场景，如现场测量和浸入式测量等。

采样附件：用于放置样品，确保在测量过程中样品与基底充分接触，并且位置稳定，以获得稳定的 SERS 信号。

计算机及软件：通过 USB 等通讯接口与光谱仪主机相连，用于控制光谱仪的参数设置、数据采集和处理分析等，可实现拉曼光谱测试及数据处理，包括一键采集光谱、数据分析、导出光谱数据、光谱降噪平滑、荧光基线拟合、去基线功能（AirPLS），提供拉曼谱峰位识别、标识功能、提供拉曼谱峰宽度，峰面积计算等功能。

4.2 系统搭建

将拉曼光谱仪主机置于平稳、洁净的实验台上，连接电源适配器并打开开关，预热至稳定状态；将光纤探头的光纤与光谱仪主机相连，并确保牢固无松动；用USB线连主机与计算机，打开软件设置合适的测量参数；将样品移至拉曼探头下方；调节支架使激光聚焦在样品上，并将支架固定于样品拉曼信号最强的点，此时即可开始测试。

图2 系统搭建示意图

4.3 推荐配置

五、应用案例

Lin Li等人在Med-X期刊发表了题目为《Direct and quantitative assessments of near-infrared light attenuation and spectroscopic detection depth in biological tissues using surface-enhanced Raman scattering》的论文，使用由如海光电提供的1064nm激发波长的拉曼光谱仪，深入探讨了拉曼光谱仪在生物医学领域的应用，特别是在评估生物组织中近红外光的衰减和光谱检测深度方面。

5.1 研究背景

光学成像和光谱技术在生物医学领域具有广泛的应用前景，如分子成像、荧光引导癌症手术等。然而，光在生物组织中的穿透深度一直是制约其应用的关键因素。拉曼光谱技术作为一种非侵入性、无损检测手段，能够提供生物组织的化学组成和结构信息，对于疾病诊断、细胞研究等方面具有重要意义。但由于生物组织的散射和吸收特性，拉曼信号在组织中的衰减是一个需要解决的问题。

文章使用了由如海光电提供的Portman便携式拉曼光谱仪，结合表面增强拉曼散射（SERS）纳米标签嵌入离体动物组织中，以直接和定量测量近红外I区（NIR-I，650–950 nm）和近红外II区（NIR-II，1000–1700 nm）的光衰减和光谱检测深度。

图3 实验方案设计和焦平面优化

5.2 实验方法

使用配备制冷型CCD探测器的785nm和1064nm的拉曼光谱仪，选取猪脑、肾、肝、肌肉、脂肪和皮肤等6种离体组织（厚度1-6mm），将SERS纳米颗粒与琼脂糖混合制备模拟病灶的SERS 凝胶，通过调整激光探头与样本距离优化焦平面，补偿组织散射/折射引起的焦点偏移。采集样品的拉曼光谱数据，并通过基线校正、平滑处理等方法去除组织自发荧光背景，提取真实的拉曼信号。同时，定义了有效的拉曼信号为信噪比（SNR）大于3的信号，并基于此定义了最大检测深度。通过比较不同组织类型和不同激发波长下的信号衰减情况，揭示了组织光学特性和系统SNR对信号穿透深度的影响。

5.3 实验数据

通过指数衰减模型拟合SNR与组织厚度的关系，计算各组织的有效衰减系数（μ_eff）。结果显示，NIR-II窗口的μ_eff普遍低于NIR-I（如肌肉组织：0.982 vs. 1.535 mm⁻¹），表明长波长穿透性更优。NIR-I窗口最大检测深度为1-3 mm，而NIR-II提升至3-6 mm。例如，肌肉组织在NIR-II下可达6 mm，而脂肪组织因高散射特性受限（3 mm）。

图4 NIR-I 和 NIR-II 窗口组织中 SERS 信号的深度依赖性衰减

测量了两种激发下对7种组织（即皮肤、肌肉、大脑、肺、肾脏、肝脏和脂肪）的拉曼光谱。拉曼光谱显示，NIR-II窗口下组织自体荧光显著降低。以1446 cm⁻¹处背景强度为例，1064 nm激发的噪声仅为785 nm的1/100，凸显拉曼光谱在长波长下的抗干扰优势。

图5 不同激发波长下7种组织的拉曼光谱信号

实验结果表明，在NIR-I窗口，最大检测深度范围为1-3 mm；在NIR-II窗口，最大检测深度范围提高到3-6 mm。较长波长的激光（如1064 nm）在减少组织背景干扰和提高检测深度方面具有优势。此外，实验还发现，系统的SNR与检测深度之间存在线性对数关系，这为预测和优化检测深度提供了理论依据。

5.4 实验结论

文章通过系统的实验评估，定量地揭示了近红外光在生物组织中的衰减特性和光谱检测深度。研究结果强调了组织光学特性和系统性能对检测深度的决定性影响，并为提高隐藏或隐匿性病变的检测能力提供了策略。这对于拉曼光谱技术在生物医学领域的应用具有重要意义，特别是在疾病诊断、手术导航和药物研发等方面。拉曼光谱仪以其无损检测、高灵敏度和多组分分析等优势，能够为生物医学研究和临床实践提供有力的支持。