喇曼光谱对血糖的半定量分析

血糖检测一般采用酶化和生化方法,但这些方法都是有损破坏性的检测方法.本文利用喇曼光谱技术来检测血糖浓度,并且建一种新的数据分析方法来分析血糖的含量,以探索一种无损、快速的血糖检测方法.以小白鼠为实验模型,麻醉的小白鼠在注射葡萄糖后半个小时开始抽取小鼠尾巴处的血液进行喇曼光谱的获取,此后每间隔15 min对小鼠尾巴进行抽血并获取血液的喇曼光谱,在每次测量小鼠血液喇曼光谱的同时用血糖仪来监测血糖浓度的变化情况以用来做参比.1 125 cm^-1是葡萄糖的喇曼特征峰,血液中的葡萄糖称为血糖,因此我们把血液光谱中的1 125 cm^-1作为血糖峰,1 549 cm^-1为血红蛋白的喇曼特征峰,人体中的血红蛋白是稳定的,所以本文以血红蛋白的峰1 549 cm^-1作为内标来研究血液喇曼光谱中血糖峰的强度.结果表明1 125 cm^-1/1 549 cm^-1的变化可以很好地与血糖变化相对应,并且具有良好的线性关系.利用喇曼光谱技术可以无损地对血糖进行半定量分析.     

二维相关光谱分析在无创血糖检测特异性研究中的应用

主要利用二维相关光谱分析方法考察了血液中主要成分、测量过程中的系统漂移等因素对近红外光谱中的葡萄糖分子特异性的影响。首先测量了葡萄糖水溶液的近红外透射光谱,以葡萄糖浓度为外扰,计算二维相关同步谱及异步谱,通过对比分析确定了葡萄糖在合频和倍频区域的特征吸收峰位置。当葡萄糖水溶液中加入少量白蛋白后,其二维相关谱中葡萄糖的一级倍频吸收峰(1 590 nm)和二级倍频吸收峰(1 195 nm)出现了不同源的现象,表明白蛋白可能破坏了葡萄糖的特异性;进一步开展了人体口服葡萄糖耐量实验,测量了手掌部位的漫反射光谱,其二维相关谱中葡萄糖的同源性吸收也遭到破坏。另外,由于葡萄糖浓度变化引起的光谱变异信息较小,很容易被系统漂移掩盖,一般需要进行背景修正。在葡萄糖水溶液的透射实验和人体漫反射实验中,分别引入纯水样本和5%标准漫反射板作为参考,以时间为扰动的二维相关光谱分析的结果表明,经过参考样本的背景校正后,系统漂移在二维同步切线谱中引起的谱峰偏移变小,葡萄糖的特征吸收被增强。因此,在近红外光谱无创血糖检测中,应尽量避开与葡萄糖特征吸收不同源的波段,并有必要采取一定的参考测量方法以提高检测的特异性。     

基于二维相关中红外光谱技术的无创血糖检测特异性研究

葡萄糖的特异性是实现血糖浓度检测的前提,也是论证一种血糖检测方法可行性的基础。二维相关光谱技术以其高分辨率和便捷的时序规则(Noda规则)两大优势被广泛地应用在分子间(内)反应、物质相变以及物质信息提取等研究领域。旨在应用二维相关光谱技术验证中红外光谱法无创血糖检测技术的葡萄糖特异性,首先通过分析各种离体溶液样本的二维相关光谱证明方法的理论可行性,然后开展了人体手指的中红外ATR光谱采集实验,参考OGTT方法调节实验过程中人体的血糖水平,并运用二维相关光谱技术验证所得人体光谱中的葡萄糖特征信息,从而论证中红外光谱无创血糖检测技术的可行性。     

液芯光纤喇曼光谱的研究

本文叙述了利用液芯光纤技术获得最佳自发喇曼光谱的方法和条件。用16mW He-Ne激束为泵光浦源,获得了较高强度的溴苯自发喇曼光谱。首次用测量喇曼信号强度的方法,计算出光纤衰损系数α,从而获得了最大喇曼光谱所对应的最佳光纤长度。本文以15OmW Ar离子(488nm)激光器为光源,用Spex1403喇曼系统,得到了丰富的溴苯喇曼光谱,比用普通方法获得的喇曼光谱强度高两个数量级。实验结果与理论计算基本符合。     

红细胞内吞银包金纳米颗粒的实时表面增强喇曼研究

研究了结晶紫包裹的银包金纳米粒子进入红细胞的实时过程.利用激光光镊喇曼技术每隔20s通过光镊囚禁红细胞并收集该细胞及邻近溶液的喇曼光谱,抽取光谱中具代表性的特征峰来观察其强度随时间的变化.结果表明:从囚禁的红细胞中收集到的光谱包括了归属红细胞与结晶紫的特征峰.红细胞的光谱特征峰1 001、1 128、1 213cm-1和结晶紫的光谱特征峰915、1 177、1 389、1 586、1 619cm-1的强度随着时间增加,表明在红细胞与纳米粒子共培养的过程中,纳米粒子在红细胞中累积,并引起红细胞信号增强.分析红细胞与其邻近溶液的光谱差,发现归属结晶紫的光谱特征峰913、1 179、1 586cm-1随时间呈类余弦的变化,表明红细胞内的结晶紫包裹的银包金纳米粒子含量先升高后降低再升高.通过计算得到纳米粒子开始进入红细胞的时间范围及进入的速度、被溶酶体降解的速度.研究表明表面增强喇曼技术为研究外物进入细胞提供了新的实验方法和思路.     

光纤共振和预共振喇曼光谱

在液芯光纤内产生共振和预共振喇曼效应,喇曼光谱强度可以大幅度提高,最高可达10⁹倍.本文介绍获得光纤(预)共振喇曼光谱的可行性、实验及实验结果.用远离吸收带的激光激发获得了α甲基吡啶预共振喇曼光谱.用小功率激光(0.8mW)、低浓度溶液(9.6×10¹²mol/L)还获得了β叶红素在CS₂中的共振喇曼光谱.     

多组分无机玻璃的振动光谱

无机玻璃振动光谱的研究已有较长的历史.采用红外吸收光谱方法已积累了许多数据。激光出现以后,作为强的相干单色光激发源,使激光喇曼光谱成为当前研究玻璃振动光谱的有效方法。本文通过对多组分硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃和氟化物玻璃的振动光谱研究,给出了与各光谱峰对应的(可能的)键振动,计算各种玻璃喇曼主峰的相对喇曼发射截面,应用干福熹提出的方法计算了各种玻璃的非线性极化系数,发现玻璃的喇曼发射截面与其三次非线性极化系数之间有很好的对应关系.     

中红外光谱法在无创血糖检测技术中的应用

构建了中红外无创血糖检测的实验方案，利用傅里叶红外光谱仪对葡萄糖溶液及手指进行了中红外光谱检测并进行分析，得到葡萄糖的中红外特征吸收峰在1000cm^-1附近，证实了中红外光谱在无创血糖检测中的可实现性，选择激光器和光导探测器进行特征峰处的光电检测实验，并得到了有效信号。     

荧光分析法在血糖检测中的应用

用不同波长的光激发葡萄糖溶液和血清样品,确定血清的最佳激发波长。以相同波长的光激发含不同血糖浓度的血清样品,得到不同血清的荧光发射光谱,通过分析其荧光光谱判断血清中的血糖浓度大小。实验结果表明,检测血清的最佳激发波长为340nm,血清中葡萄糖的发射峰位置为470nm;随着血清中葡萄糖浓度的增加,荧光光谱图中荧光峰处荧光强度总体呈上升趋势,光谱的面积积分强度和导数光谱中一阶导数的最大值也呈上升趋势,荧光峰的半峰宽整体呈现下降趋势。荧光光谱分析法操作简单,灵敏度高,费用相对较低,为血糖检测提供了有力的参考。     

光纤共振和预共振喇曼光谱(英)

在液芯光纤内产生共振和预共振喇曼效应，喇曼光谱强度可以大幅度提高，最高可达109倍．本文介绍获得光纤（预）共振喇曼光谱的可行性、实验及实验结果．用远离吸收带的激光激发获得了α甲基吡啶预共振喇曼光谱．用小功率激光（0．8mW）、低浓度溶液（9．6×10(-12)mol／L）还获得了β叶红素在CS2中的共振喇曼光谱．     

Noninvasive blood glucose detection using a miniature wearable Raman spectroscopy system

In this Letter, a miniature wearable Raman spectroscopy system is developed. A wearable fiber-optic probe i employed to help the stable and convenient collection of Raman spectra. A nonlinear partial least squares mode based on a multivariate dominant factor is employed to predict the glucose level. The mean coefficients of de termination are 0.99, 0.893, and 0.844 for the glucose solution, laboratory rats, and human volunteers. Th results demonstrate that a miniature wearable Raman spectroscopy system is feasible to achieve the noninvasiv detection of human blood glucose and has important clinical application value in disease diagnosis.     

无创人体血糖检测光学方法的研究现状与发展

糖尿病威胁着人类健康,血糖有创检测的弊端使无创检测方法成为糖尿病患者的迫切需求,无创血糖检测也因此成为国内外学术界研究的热点。但到目前为止还没有一种无创检测仪器有足够的精度能够应用于临床。文章中介绍了研究较多的光声光谱法、拉曼光谱法、荧光法、偏振光旋光法、光学相干层析成像法,近红外光谱法等光学光谱检测方法的原理、方法、特点以及当前国内外研究现状和进展。从中分析了限制血糖浓度无创检测应用于临床的技术难点问题及未来的研究方向,指出动态光谱方法是无创血糖测量中最有应用前景方法之一。     

人全血的毛细管显微拉曼光谱分析

血液中含有众多生物信息,如激素、酶、抗体等丰富的蛋白质成分。通过对血液中众多生物信息进行检测鉴定可以起到对该血液种属判定、溯源的目的。因此,血液检测技术的发展在诸如刑事案件侦破、物种鉴定、疾症预防等领域具有重要意义。目前,传统血液检测手段多为显微观测、免疫法、DNA/基因检测法等,这些技术会对血液样本造成不可逆转的破坏性,且存在分析周期长、结构装置复杂、试验价格昂贵等问题。随着激光技术的发展,拉曼光谱技术作为一种非线性散射光谱技术,在血液检测技术中得到了应用。在血液检测技术中,拉曼光谱技术通常与共聚焦显微系统结合,对涂在载玻片上或盛放在透明容器中的血液样品进行光谱信号采集。该技术具有快速、无损等优势,但复杂的光路系统及昂贵的实验装置限制了该技术的广泛推广。为提出一种装置简单、操作简便的血液拉曼检测新技术,研究采用基于毛细管的显微拉曼技术方案采集并分析人全血的拉曼信号。血液样品通过毛细管的虹吸效应取样,与载玻片的涂样方式相比毛细管的方案具有模拟人血管、维持血液活性、减小空气对实验过程中血液成分的影响、降低激光对血液样品的灼伤效果等优势。为避开可见光部分荧光较强区域的荧光干扰,研究采用360 nm紫外激光器作为激发光源,防止可见荧光信号的干扰。积分时间设为800 ms,有效避免因激光长时间照射对血液样品的灼伤效果,影响实验数据的稳定性与真实性,光谱平均次数为2次,避免单次测量所带来的数据的不准确性影响。光谱扫描范围为500～1 800 cm-1, 结果表明此范围内可较好的避开可见光部分荧光较强区域的干扰。测得的拉曼光谱信号通过滤波去噪及基线校正进行处理。首先采用5阶离散小波变换滤波,进行1层信号分解,滤除高频噪声信号,保留低频有效信号,从而去除杂散信号,对光谱有效信号进行提取。其次,采用4阶多项式拟合扣除基底的基线校正,实现人全血的毛细管显微拉曼光谱峰值信号的提取。最终,通过查询SDBS数据库以及人血样本通过reishaw共聚焦显微拉曼光谱仪测量所得光谱图进行验证发现测得信号中部分为人体内数种氨基酸成分的拉曼信号。实验研究发现,基于毛细管的显微拉曼实验系统与常规拉曼探头实验系统相比,拉曼信号更稳定、重复性高,可有效提取人全血中的拉曼光谱信号, 而其与高精度的共聚焦显微拉曼系统相比价格便宜、结构简单、易于推广等优点,但信号信噪比、有效信号的峰值强度上仍有进一步的提升,是一种测量人全血拉曼信号的可行方案。     

傅立时变换中红外光谱法用于非损伤性血糖测定的研究

本文首次使用中红外光纤对人体血糖进行了非损伤性测定，实验显示，人手指的中红外光谱１１２３ｃｍ－１谱带的相对强度与人的血糖浓度同步改变，表明葡萄糖特征谱带的相对强度确可作为人血糖值的一个数量指标。这给红外光纤在生物医学领域中的应用展示了光明的前景。     

基于逆向空间偏移拉曼光谱分析技术的无损药物检测方法研究

发展新型药物检测技术不仅能够杜绝假药对健康和生命的危害,更可以避免假药对社会道德和商业风气等产生不良影响。该研究工作,通过建立逆向空间偏移拉曼光谱（SORS）实验装置,克服了传统拉曼探测深度有限（约几百微米）的应用瓶颈,以无损、非接触的方式,克服不/半透明容器光学背景对光谱测量结果产生的影响,实现多种空间偏移量（Δs）条件下,样品特征光谱信息检测与分析,为开发基于逆向SORS技术的新型药物检测方法奠定实验基础。实验装置搭建过程中,采用785 nm半导体激光器与WITec UHTS300型拉曼光谱仪构建逆向SORS光谱分析装置。通过使用准直光束照射锥透镜形成环形激发光斑,并控制锥透镜与样品之间的距离,实现Δs连续可控变化。利用所搭建的光谱检测装置,分别测量聚乙烯方瓶（厚度为1.5 mm）和聚四氟乙烯离心管（厚度为4 mm）内对乙酰氨基酚和甲硝唑的拉曼特征光谱。利用环形光束照射会抑制容器峰强度这一特点,选取容器拉曼特征峰作为标准峰,分别对点光斑（Spot）和环形（Ring）光斑测量结果进行归一化处理,并将其强度相减（Ring-Spot）,得到逆向SORS光谱测量结果。实验结果表明,逆向SORS光谱检测方法能够克服表层容器光学背景对测量结果产生的干扰性因素,真实反映不/半透明容器内样品的分子指纹光谱信息。在实验测量范围内,当环形光束半径增大1倍时,聚乙烯方瓶内对乙酰氨基酚拉曼特征峰强度增大6倍,而聚四氟乙烯离心管内的甲硝唑各特征峰强度增强1倍。以上实验结果表明,逆向SORS技术能够准确检测不/半透明容器内,或有漫散射介质覆盖的样品深层化学成分的指纹光谱。通过提高系统信噪比并优化系统结构与功能,在建立小型化、集成化检测系统的条件下,逆向SORS技术可与现有的多种药物检测技术相互补充,发展成一种快捷、准确、操作简便的新型药物检测手段。     

Raman spectroscopic analysis of cataract lens: A compendious review

Age-related cataracts is a pressing health issue with the increase in elderly populations. This creates an imminent demand for the development of an early, noninvasive method of cataracts diagnosis. Early detection of cataracts will improve quality of life and may prevent morbidity associated with advanced cataracts and surgery. Raman spectrum of proteins provides characteristic information regarding molecular interactions of peptide residues. Hence Raman spectroscopy is a promising tool for the study of protein-related diseases, such as cataracts. We surveyed the literature to assess the use of Raman technology in the studies of human lens and animal models. These studies included analysis of amino acids (i.e., cysteine, tryptophan, and tyrosine, etc.) and secondary protein structures (i.e., α-helix and β-sheet) in various Raman profiles. Other studies used Raman spectroscopy to analyze and monitor the development of cataracts in lens. Technological advances in the instrumentation of laser Raman spectroscopy, including Fourier transform Raman spectroscopy, Raman microspectroscopy, and confocal Raman microspectroscopy have improved the performance of Raman spectroscopic analysis. How to take advantage of these developments and make it closer to reality using Raman spectroscopic methods to diagnose cataracts in a timely manner is a key challenge for the scientific community of Raman spectroscopy.     

拉曼谱仪新聚光会集系统研制及用于电化学时间分辨研究的初步结果

为了进一步提高拉曼谱仪检测灵敏度,对Ｓ３０００型拉曼光谱仪的聚光会集系统进行了重新设计,新设计的聚光会集系统可以显著提高拉曼散射光的光强,理论上收集光强增大９倍。采用配制该聚光会聚系统和以光学多道分析仪（ＯＭＡ）作为信号检测器的拉曼谱仪,并采用分区间录谱方法进行了电化学现场时间分辨测量,获得了质量较高的时间分辨值为５ｍｓ的ＳＥＲＳ谱图,该时间分辨值目前尚未见报道。以Ａｇ／ＳＣＮ－为体系初步结果表明：提高检测灵敏度将有助于从分子水平研究电化学界面动态过程．     

变压器油中溶解气体拉曼光谱检测及其光谱线型模型分析

拉曼光谱气体检测技术能利用单一波长的激光对气体样品进行无接触、无损耗检测,适用于油浸式变压器油中溶解气体检测。结合拉曼光谱检测机理,分析了拉曼光谱谱线特征,建立了由洛仑兹函数与高斯函数卷积表示的拉曼光谱Voigt线型模型,其表现出较好的拉曼谱峰线型轮廓基本特征。以谱峰高、中心位置、半峰全宽等为代表的拉曼谱峰线型轮廓基本特征是寻峰的主要目标,其根本目的在获取样本定性及定量检测分析依据。故针对拉曼光谱实验数据设计了基于比较法的自动寻峰模型以实现检测目标。对引入到Voigt线型模型中的寻峰模型进行的模拟实验结果表明,模拟中谱峰高、中心位置等数据均与模型输出数据相吻合。依托实验室构建的变压器油中溶解气体拉曼光谱检测平台,分析检测实验数据表明,Voigt线型模型中半峰全宽参数实际取值区间为(8.7,11.5)(cm-1),模型与其存在偏差。修正该参数取值为10.257 cm-1,并对比研究表明：修正后的Voigt线型模型及寻峰模型具有更好的适应性及实用性。结合实验平台的拉曼光谱气体检测数据的寻峰结果,有效地完成了七种变压器故障特征气体的检测及分析。针对甲烷气体,获得单位气体含量、拉曼特征峰强度与面积三者之间的线性关系,为变压器油中溶解气体拉曼光谱检测定量分析奠定基础。     

基于拉曼光谱方法研究不同剪切力下的红细胞亚损伤

利用共聚焦拉曼光谱技术,对人工心脏泵不同剪切应力下受到亚损伤的红细胞进行实验研究,验证拉曼光谱对红细胞亚损伤程度的评估能力,为血液损伤评价提供了一种新的思路。实验采集血红蛋白和红细胞的拉曼光谱标准谱图并进行对比分析,以确定红细胞谱图特征峰的归属。用血液剪切力试验平台对测试血样施加暴露时间为1 s,大小分别为0,50,100,150,200,250和300 pa的剪切力。利用共聚焦拉曼仪器,在10倍长焦物镜,532 nm激光光源波长,积分时间10 s,积分次数2次,2.5 mW功率下采集剪切应力作用后的红细胞拉曼谱图。通过归一化的方法对比红细胞的拉曼谱图变化,评估红细胞亚损伤的程度,运用曲线拟合方法对特征峰和剪切应力进行拟合,验证拉曼光谱对红细胞亚损伤的评估能力。对比血红蛋白和红细胞的拉曼光谱标准谱图发现,红细胞谱图能够反映血红蛋白的内部结构。且结果表明,拉曼光谱法可以用于区分不同剪切应力下亚损伤的红细胞,推断剪切应力可以透过细胞膜从而影响到其内部的血红蛋白结构。且随着剪切力的增大,1 376 cm-1位置左侧谱线呈现明显抬高趋势,1 549和1 604 cm-1位置的峰强增高,1 639 cm-1位置的氧浓度标记带ν₁₀振动谱带减弱。其中1 549 cm-1位置的峰强为亚铁离子高自旋带,在不同剪切力的作用下,峰强差异表现最明显,与剪切应力呈明显的正向线性关系,拟合效果良好。拉曼光谱法检测样本处理简单、耗时短、操作简便、重现性好,且可以精确的检测到细胞内部结构的细微变化,可以评估红细胞的亚损伤程度,弥补了传统评价溶血的方法的不足,为人工心脏泵血液损伤评价提供了新的技术手段,拓宽了拉曼检测方法的应用领域。