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【收藏】拉曼光谱的最新技术及其在生物领域的应用

发布时间: 2021-01-21 19:50 来源:奥谱天成(厦门)光电有限公司

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自1928年Raman现拉曼效应以来,拉曼光谱就成为检测分析物质结构的重要手段。拉曼光谱技术是一种检测分子振动以表征样品潜在化学结构的光谱技术。

拉曼光谱技术广泛应用于检测固体和液体材料的化学成分,它可利用物质的光谱“指纹”信息,区分各种物质样品、检测不同生理状况的细胞及其中的生物分子。

拉曼光谱技术已经成为一种多功能的生物医学分析工具。单细胞拉曼光谱通常包含上千个拉曼光谱带,可以提供丰富的细胞分子信息,例如核酸、蛋白质、脂质等,并可反映细胞的基因型、表型和生理状态。

然而阻碍其发展的有“两座大山”:

1、信号强度低

2、重叠的光谱带

传统的拉曼光谱强度弱、存在一定的荧光干扰,随着科技发展,针对以上缺点,不断改进,从而衍生出更多新的拉曼技术,拓宽了拉曼的应用范围。

拉曼光谱技术的新发展

一、表面增强拉曼光谱

表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,简称SERS),用通常的拉曼光谱法测定吸附在胶质金属颗粒如银、金或铜表面的样品,或吸附在这些金属片的粗糙表面上的样品。

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SERS在医学领域应用广泛,在细胞分子层面上其为DNA,为蛋白质检测提供了新的方法。作为一种无标记技术,SERS可快速监测生物基质中低浓度的物质,使其成为对部分治疗窗口狭窄药物的高效实时检测工具。SERS不仅可以检测伤口表面细菌生长情况,也可在一定程度起到杀菌或抑菌作用。SERS标签结合激光拉曼光谱及显微镜技术在光学标记、显像上展现了独特潜力。

二、相干拉曼散射

相干拉曼散射(CRS)是一种通过非线性光学过程诱导产生相干光的效应,该过程中目标分子特定的振动可作为成像所需的衬度,由此产生了一种新的光学显微成像方法,即相干拉曼散射显微术。相较于自发拉曼散射,相干拉曼散射光谱比自发拉曼光谱至少强3个数量级, 成像速度提高3~4个数量级。

相干拉曼散射主要有相干反斯托克斯拉曼散射(CRAS)和受激拉曼散射(SRS)两种。


1、相干反斯托克斯拉曼散射

由于脂质中C-H键数量多、散射面大、信号相对强,生物医学领域中常通过CRAS探测脂质信号研究细胞的活动。CRAS对目标分子特征的探测,可以无标记地对活体、 离体和病理组织切片成像,辅助疾病诊断,在临床活体组织探查上也有着广泛的发展前景。


2、受激拉曼散射

SRS成像技术特点在于:

①、不会产生非共振背景;

②、成像时信号峰不会发生移位可直接利用拉曼光谱数据库进行组分分析;

③、SRS信号强度与分子浓度呈线性正相关,使定量分析更加简便。

SRS可对物质进行选择性成像,研究细胞的脂质、 蛋白等信号,及细胞内特定物质的代谢和分布。为了提高信号识别的特异性,近年来拉曼标签被广泛应用于SRS中。利用拉曼标签具有的特异拉曼信号特征可以改变待测物质原本的信号ꎬ 从而在没有细胞内源物质干扰的信号沉默区(1800~2800 cm-1)实现特异性检测, 同时不会对细胞本身代谢产生影响。

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三、共振拉曼光谱

当激发光频率接近或等于分子的一个电子吸收峰时,部分特定的拉曼带强度会急剧增加,利用这一效应产生的技术称为共振拉曼光谱(RRS)技术。

RRS能将拉曼光谱信号增强4~6个数量级,提高检测灵敏度,缩短检测时间。与常规拉曼相比,共振拉曼光谱的荧光背景更加显著,其信噪比降低,谱带易变形失真。共振拉曼光谱选择性地增强生物分子特定发色基团的振动,因而能对色素分子的进行非破坏性检测,如番茄红素、类胡萝卜素、叶绿素等。大部分蛋白质等生物分子吸收位于紫外区,因此紫外共振拉曼光谱在生物医学研究中更具优势。

四、空间位移拉曼光谱

空间位移拉曼光谱(SORS)实现了对数毫米深度内,及不透明包装内材料的化学分析。

SORS技术除了具备拉曼光谱的固有优点外,还具有诸多独特的优点:

①、可有效抑制荧光,提高检测灵敏度;

②、在一定范围内,偏移距离越大,收集的拉曼信号中更深层样品的信号越大,穿透深度越深,能够实现深层检测;

③、在检测过程中可以不破坏包装对样品进行检测,从而降低用户的检测和生产成本。


近几年来,拉曼光谱技术及其衍生发展而来的其他技术凭借其无创、实时、可重复性高等特点,在生物医学方面,特别是在肿瘤的诊断、治疗、预后等许多方面有了广泛应用随着拉曼技术的不断发展,未来拉曼光谱将在科学研究的各领域得到更加广泛的应用。


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