拉曼光谱在生命科学领域的应用

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1、HORIBAScientificJOBIN YVONw TechnologyExplore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Semiconductot I ScientificHORIBAScientificJOBIN YVONw Technology拉曼光谱在生命科学领域的应用拉曼光谱作为一种无损、非接触的快速检测技术，己吸引广人科研人员的关注，并被应 用于各行各业中。特别是在生命科学领域，由于拉曼样品用量很少，不需要对生物样品进行 固定、脱水、包埋、切片、染色、标记等繁琐的前处理

2、秤不仅操作简单，而且不会损伤 样品从而能够获得样品最真实的信息。另外，生物人分子多是处在水溶液环境中，研究它们 在水溶液中的结构对于了解生物人分子的结构与件能的关系|:常逍要。由于水的红外吸收很 强，因此用红外光谱研究生物体系有很大局限性，而水的拉曼散射很弱，干扰小，而且单细 胞拉曼光谱能提供细胞内垓酸、蛋白质、脂质含最等人最信息，町在不损伤细胞的条件卜实 时动态地监测细胞分子结构变化，可以对细胞、病毒等进行原位检测分析。HORIBA Scientific共焦拉曼光谱仪因其灵敏度高、性能优越而被广泛用于生命科学领 域的研究，在诸如基础研究、生物医学、药物、化妆品以及食胡中都有着广泛的应用。1.

3、基础研究基础研究包括组织结构及成分鉴别（脂类、蛋白质、糖类、水、DNA, RNA等）、细胞 的定位、鉴别及分类等。生物大分子中，蛋白质、核酸、磷脂等是垂要的生命基础物质，研究它们的结构、构彖 等化学问题以阐明生命的奥秘是当今极为重要的研究课题。拉曼是分子的“指纹图谱”，生 物分子的指纹区主要出现在100-2000C1H1, &U图1左.拉曼对分子所处的环境非常敏感，结 构上的些微差异都能在拉曼谱图上体现出來，如图1右弓去氧肌红蚩白B宅合肌红萤白E丘佚肌红总日图1左：甲状腺肿和恶件肿瘤的拉曼谱图：右：不同肌红茨白拉曼i普图细胞是生命城基本的组成，是-切生命现彖的基 础。共聚焦显微拉曼光谱的发展对

4、原位活细胞研究冇 着瓏要意义，对于小尺寸的样品，如尺寸仅仅为l-2pm 的细歯，通过真共焦的良好共焦特性，依然町以对其 进行详细研究。如图2即是对细菌做的三维拉曼成像,图2细愴的三维拉曼成像HORIBA集团科学仪器事业部 堀场（中国）贸易有限公司 上海总公司，天山西泾1068号联强国际产场A栋一层D单元（200335 ）lei 021 6280 6060 Fax 021 6289 5553w祝 horba conVcnsoentrtc北京分公ffh海淀东三樹2号欧关汇大匿12层1100080)Tel 010 8567 9966 Fax 010-8567 9066广州分公Bh天河区体窝东路1号金

5、利来数田网恪大fi 1612空（5KB2O） Tel- 020-3878 18S3 Fox 020-3878 1810可以清晰地分开微小的细菌（感谢英国CEH Oxford的Wr Huang博七提供数据）。zuw WMCEC0BD06 0 4 0200 20 40 6CMcrmnint fUncbon i另外，细胞种类繁多，如细菌有不同的菌种。通常，采用一些多元统计学方法，如聚类 分析、主成分分析、判别分析等可以更好地对研究对象进行评价。图3是对3种不同的细菌 在不同生长时间卜获得的拉曼结果进行的统计分析，结果显示对于同一细菌，尽管生长时间 不一样，但是它们都被归属于同一类，证明拉曼町以很好地

6、鉴别不同种类的细胞。图3务元分析对三种不同菌种的分类.梵中“ b、c分别代表三种不同细菌的训练数据，而粗 体的a、b、c代表测试数据（感谢英国CEH Oxford的Wei Huang叫I:提供的数据）2.生物医学拉曼光谱在生物组织与疾病中的研究非常广泛，涵孟了几乎所有的软组织和硬组织，如 脑组织、肺组织、肝组织、骨组织等。在很多空腔组织如肺、胃、结肠等中，町以将光纤包 埋在内窥镜中实现拉曼光谱的活体实时检测。拉曼光谱可以从分子水平提供信息，这对于很多疾病的研究有着重要的总义。不同病变 会在拉曼谱图中有不同的特征显示，通过拉曼光谱能够对不同疾病进行判断，如图4中甲状 腺肿、腺瘤利甲状腺癌的拉曼光

7、谱之间就有着很大的差异。甲状M9M甲状廉癌Explore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Semiconductot I ScientificHORIBAScientificJOBIN YVONw TechnologyExplore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Semiconductot I ScientificHORIBAScientificJOBIN YVONw T

8、echnology图4不同甲状腺稱变的拉曼光谱（感谢法国兰斯大7 Manfait教授及反同M提供的数据）对于骨组织的愈合过程由于新生骨的骨胶原含量更高且与成熟骨存在成分上的差异, 所以拉曼町提供新生骨和成熟骨的分布，如图5,从而町以判断骨组织的愈合程度。如果対 愈合过程的不同时间阶段进行拉曼分析，还町以对愈合过程进行实时监测。HORIBA集团科学仪器事业部堀场（中国）贸易有限公司上海总公Bh天山西泾1068号联强国际产场A栋一层D单元r 200335 ）Tel 021 6289 6060 Fax （21 6289 5S53w祝 hcrba coaVcrVfi（ntific北京分公an海淀东三樹

9、2号欧关汇大匿12层H00080）Tel 010 8567 9966 Fax 010 8567 9066广州分公an天河区体育东路138号金利来数曰网恪大厦1612室（5KK0） Tel: 020-3878 1883 Fax 020-3878 1810E nX(um)图5骨组织拉曼分布.红色部分为新生骨（胶原），绿色部分为成熟骨（玮磷灰石+有机质）.（感谢Robert Fleming. Umversity of Eindburgh 提供的数据3药物在药物配方中，通常除了仃效成分之外，还包含很多辅料。而原料和辅料的分布对药物 的溶解、吸收等一系列效应冇着重要影响。根据拉曼光谱中不同成分信息的提取

10、可以得到药 片成分分布的图像，如图6。通过一些新的成像技术，如SWIFT高速共焦光谱成像配合 DuoScan的应用，可以在短时间内对整个药片进行成像分析。其中红色、绿色和蓝色分别代表阿司匹林、咖啡肉和扑热息痛。Explore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Semiconductot I ScientificHORIBAScientificJOBIN YVONw TechnologyExplore the futureAutomotive Test Systems I Process

11、 & Environmental I Medical I Semiconductot I ScientificHORIBAScientificJOBIN YVONw Technology显微拉曼町以获得药片表面各成分的分布信息，而透射拉曼则能获得整个药片的平均 信息，町以对整个药片进行准确的定性、定量分析，从而能够测定不同批次或不同厂家药物 含量的均匀度、进行真假药鉴定、过程监控排错等。图7是使用透射拉曼结介化学计量学方 法对药片进行的定性、定最分析。其中左图样品是含2种不同晶型药物的胶囊，每种胶囊取 6个样品，结果显示主成分分析法能有效区分开胶粪中晶型的差别：右图样品是28个含有 不同主成分

12、含量的药片（共7种含量，每种含量各4个样品），使用偏最小二乘法对其进行 定量分析发现结果貝有非常好的线性。HORIBA集团科学仪器事业部堀场（中国）贸易有限公司上海总公司：天山1068号联强国际产场A栋一层D单元（2003351TH 021-6289 6060 Fax 021 6288 5553祝 hcrba oonVcrVowt/ic 北京分公ffh海淀东三樹2号欧关汇大 12层100080)Ter 010 8567 9966 Fax 010 8567 9066广州分公Sh天河区体肓东路138号金利来!网恪大11162室(5KKXTel: 020-3878 1883 Fax 020-3878

13、 1810Explore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Semiconductot I ScientificHORIBAScientificJOBIN YVON Technology图7透射拉曼分析结果.左图：主成分定性分析结果：右图：偏最小二乘法定戢分析结果由于拉曼光谱是无损的检测方法，它还可以用于药物与细胞之间相互作用的研究。如药 物与细胞作用的位点、在细胞中的分布、药物在细胞内的动力学硏究等等。因此，拉曼光谱 也在药物的筛选等工作中有看广泛应用。图8是药物作用于细胞后的拉曼成

14、像结果，其屮绿 色足纯药物的分布位置，紫色、蓝色和粉色分别足药物作用丁细胞膜、细胞质和DNA形成 复合物后的成分分布图。最后一张是所有成分分布的叠加。药物细胞膜和细胞器极性细胞质药物DNA复合物族成分叠加图Explore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Sefniconductof I ScientificHORIBAHORIBAScientificJOBIN YVON Technology图 药物与细胞的相互作用分布图，前4张图从左到右分别出纯药物、药物与细胞膜、与细胞质、与DNA

15、 形成复合物的分布图，第5张圧前4张图的叠加.4.化妆品大部分化妆品足直接和人体按触的，它们的安全性以及效采备受人们关注，无损的实时 检测更是对此行业有着重要意义。由于拉曼光谱无侵入无损伤，町直接对志愿者的皮肤进行检测研究，能够实时的监测产 品效果。通过共聚化拉曼光谱仪可以对皮肤含水量进iriXi分析，如图9所示，在不同深度 处皮肤的含水量不同，并且在涂抹保湿霜后在不同深度有不同的变化。由此可以判斷保湿霜 的效果。染发护发产品的穿透效果深受各人品牌关注，将拉曼光谱应用于产品作用于头发的 效果研究，町以通过产品的特征谱带追踪产阳的穿透深度，从而对产品的效果进行判断。w祝 hcrba conVcn

16、swntific北京分公Bh海淀东三樹2号欧关汇大逼12层1100080)Tel 010 8567 9966 Fax 010 8567 9066广州分公Bh天河区体育东路138号金利来数码网恪大If W12室（5TO62O） Tel- 020-3878 1883 Fax 020-3878 1810HORIBA集团科学仪器事业部 堀场（中国）贸易有限公司 上海总公司：天山西路1068号联强国际产场A栋一层D单元（200335 ） lei 021 6289 6060 Fax 021 6289 5553图9A皮肤不同深度的水的拉曼光谱：B产品在头发中的穿透深度。（感谢欧菜雅提供的数据）此外，很多化妆

17、品都是乳液其乳滴的稳定性、冇效成分在乳滴中分布的均匀性等都是 影响化妆品质最的重要因素。拉曼成像可以获得化妆品乳液中颗粒或柑态分布、乳滴中的成 分分布等信息，如图10.从而在化妆品的研发和质量控制中有着重要的作用。图10化妆品乳液拉曼成像（感谢某知名化妆品品牌提供的数据）Explore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Sefniconductof I ScientificHORIBAHORIBAScientificJOBIN YVON TechnologyExplore the fu

18、tureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Sefniconductof I ScientificHORIBAHORIBAScientificJOBIN YVON Technologyx10I-4-202468Scores on PC 1 （97.58後） 不同饱和度脂肋酸甘油酯的 主成分分析结果堀场（中国）贸易有限公司 上海总公Bh天山西笊W68号联强国际L场A栋一层D单元r200335）Tel 021 6289 6060 Fax 021 6289 5553祝 horba conVcnsoentrfic北

19、京分公Sb海淀东三樹2号欧关汇大逼12层H00080)Tel 010 8567 9966 Fax 010 8567 9066广州分公天河区体育东路1号金利来数田网恪大厦1612室（5KJK0） Tel- 020-3878 1883 Fax 020-3878 18105食品苏丹红、三聚絨胺、瘦肉精等一系列事件迫使人们 越來越关注負品安全这个与健廉密切联系的议题。拉曼 它1 光谱作为一种无需样品前处理、灵敏度相对较高、分析 養 测试快速便捷的绿色光谱技术，对于ft品质最检测、律05 仗品中细菌鉴别及仅品加工4】等都有重要曲用2 0很多同类仅品的结构非常柑似，如仗用油都是脂肪 ! .0,5 酸，但是

20、动物仗用油主要是饱和脂肪酸，而植物油主要 S cn -1 是不饱和脂肪酸。对于这些结构相似的化介物，使用化 学计量学方法可以有效地将它们区分开，如图11中的硬 脂酸甘油酯，1#样品含不饱和脂肪酸甘油酯，而2#样品图11是饱和脂肪酸甘汕酯，两种样品各取6个点，经主成分 分析法归类后发现，拉曼可以区分开这两种非常相近的 样品。2007年美国发生多起猫、殉宠物中毒死亡爭件，经拉曼研究分析发现猫粮中的三聚辄 胺和三聚亂酸町以在肾组织中形成复合物晶体，阻塞肾小管内腔，最多严重者可致死。图 12是猫服用二聚亂胺、三聚紈酸添加猫粮后在肾中形成复合物晶体的拉曼分析结果闵，A是 猫肾显微图像，B是肾中形成的结晶

21、，其中黑色框是拉曼成像位遂，C是成像区域的拉曼图, D是伪彩色显示的拉曼强度分布图，E、F是体外模拟实验得到的复合物拉曼谱图和显微图。HORIBA集团科学仪器事业部Explore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Sefniconductof I ScientificHORIBAHORIBAScientificJOBIN YVON Technology实验结果显示猫肾中形成的结晶与体外合成得到的结晶成分一致。Explore the futureAutomotive Test Syste

22、ms I Process & Environmental I Medical I Sefniconductof I ScientificHORIBAHORIBAScientificJOBIN YVON TechnologyExplore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Sefniconductof I ScientificHORIBAHORIBAScientificJOBIN YVON Technology图12三聚氣胺、三聚聚酸在猫肾中形成的复合物拉曼分析结果。拉曼光谱还町以用于食

23、品产地、品质等各方面的判定与研究。以玉米为例，种子中的淀 粉、蛋白质、脂类含量决定了玉米的品质，通过拉曼光谱成像町以获得玉米中不同成分的分 布图（图13）。Explore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Sefniconductof I ScientificHORIBAHORIBAScientificJOBIN YVON TechnologyExplore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Me

24、dical I Sefniconductof I ScientificHORIBAHORIBAScientificJOBIN YVON Technology图13玉米种子切片的拉曼成像小结拉曼光谱作为一种无损无标记的分析方法，它能够从分子层面对生命科学领域的样品提 供丰富的信息。共聚焦技术、新的成像方法为此项技术在生物领域的应用提供了坚实的技术 支持。近年来国内外研究者将拉曼光谱应用于细胞药物处理、细胞水平疾病诊断、单细胞生 命活动监测、亚细胞结构等研究，取得了不同程度的进展。随着研究的深入,拉曼光谱分析 技术必将在于细胞，癌症硏究.细胞分选、药物筛选、仅品安全等生命科学领域人令作为。HORI

25、BA集团科学仪器事业部Explore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Sefniconductof I ScientificHORIBAHORIBAScientificJOBIN YVON Technologyw砂 hcrba conVcnsoentrtc北京分公an海淀东三樹2号欧关汇大匿12层1100080)Tel 010 8567 9966 Fax 010 8567 9068堀场（中国）贸易有限公司上海总公司I天山1068号联强国际产场A栋一层D单元1200335）Tel 02

26、1 6280 6060 Fax 021 6289 5553广州分公Bh天河区体育东路138号金利来数玛网恪大厦1612室（5KB2O） Tel- 020-3878 1883 Fax 020-3878 1810Explore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Sefniconductof I ScientificHORIBAHORIBAScient if ic書 JOBIN YVONw Technology参考文献：1 Filip Tiutchev et al. Moleculai ef

27、fects of lugh-pressure piocessiiig on food studied by resonance Raman. Ann. N.Y. Acad. Sci, 2010, 1189, 34-42.2 Doitlie Kjser Pedersena et al. Eailv prediction of water-holding capacity in meat by multivariate vibrational spectroscopy. Meat Science 65, 2003, 581 5923 Mario Krause et al., Identificat

28、ion of active fluorescence stamed bacteria by Raman spectroscopy. Proc, of SPIE, 2008, 6991. 69910E4 Filip Tiutchev et al. Moleculai effects of liigh-pressure processing on food studied by resonance Ranian. Ann. NY Acad. Sci. 1189, 2010, 34 42.5 R. Rennschuessel. NI. Witkowski et al. Evaluation of t

29、he renal effects of experunental feedmg of nielanune and cyaiiuiic acid to fish and pigs Ain J. Vet Res., 69. 2008, 1217228HORIBA集团科学仪器事业部Explore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Semicondijctot I ScientificHORIBAScient if ic書 JOBIN YVONw Technologyw祝 hcnba conV

30、cnntrfic北京分公an海淀东三樹2号欧关汇大辰12层1100080)Tel 010 8567 9966 Fax 010 8567 9066堀场(中国)贸易有限公司上海总公司，天山1068号联强国际产场A栋一层D单元f 200335) 加 021 6280 6060 Fax 021 6288 5553广州分公Bh天河区体斎东路138号金利来数玛网恪大厦1612室(5KBXJ) Tel- 020-3878 1883 Fax 020-3878 1810Explore the futureAutomotive Test Systems I Process & Environmental I Medical I Semicondijctot I Scientific