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文章导读
在物理化学和生物化学中，分子振动 (又称为“分子指纹”) 对研究疾病机理至关重要。通过追踪生物样本在疾病发展或治疗过程中的结构变化，可以为理解疾病提供重要见解。目前，科研人员对在临床上开发一种能够实时监测组织在癌变过程中的形态和生化变化的快速且非侵入性方法表现出极大兴趣。拉曼光谱和红外光谱技术作为检测分子指纹的两种主要振动光谱方法，因其能够提供样本中分子的独特指纹，用于识别化学键、官能团和分子结构而受到广泛关注。本篇由美国科学院Malini Olivo研究员团队撰写并发表于 Biosensors 期刊的文章概述了拉曼光谱和红外光谱技术在癌症检测中分子指纹检测的研究进展。
研究过程与结果
一、拉曼光谱技术
拉曼光谱基于光的非弹性散射现象，通过分子振动导致的散射光频率变化来揭示分子的化学结构。其具有高分辨率和能够提供丰富分子信息的特点，适用于化学、生物学和材料科学中的分子结构和相互作用分析。拉曼效应在1928年首次被发现，当光子与分子相互作用时，大部分光子会发生弹性散射 (瑞利散射)，而一小部分光子会发生非弹性散射，导致散射光子的能量发生变化，这就是拉曼效应。如图1所示，通过分析非弹性散射光，可以获得关于分子振动模式的信息，从而提供化学结构指纹。
图1. 由于分子的单色光激发，三种类型的散射及其能态的变化。
拉曼光谱仪主要由光源、样品室、光谱仪和探测器四个部分组成。光源用于激发样品分子，使其振动并发射不同能量的光子；样品室用于稳定地存放样品；光谱仪用于根据光子的能量分离不同的光子，常用的方法有色散光谱和傅里叶变换光谱 (图2)。拉曼光谱在生物医学领域具有广泛的应用，特别是在癌症诊断方面。例如，共振拉曼光谱可以增强与入射光子共振的分子的拉曼散射强度，提高光谱的灵敏度。表面增强拉曼光谱 (SERS) 通过金属纳米结构聚焦电磁能量，大幅度增强拉曼散射强度，能够检测到单分子水平，对于早期癌症诊断具有重要意义。
图2. 拉曼光谱的两种方法：(a) 色散光谱和 (b) 傅立叶变换光谱。
二、红外光谱技术
红外光谱技术利用红外光研究分子的振动和转动运动。它对含有极性共价键的分子特别敏感，如C-O、C-N和N-H键。红外光谱包括激光吸收光谱、傅里叶变换红外光谱 (FTIR)、衰减全反射 (ATR) FTIR光谱等。红外光谱通过测量样品对红外光的吸收来分析分子的结构和化学组成。不同类型的红外光谱技术采用了不同的测量方法，但基本原理相同。红外光谱在癌症诊断中也显示出巨大潜力。例如，ATR-FTIR光谱可以用于实时监测手术切除边缘，为癌症手术提供快速有效的评估手段。此外，红外光谱还可以用于分析血清样本中的生物分子变化，辅助癌症的早期诊断。
三、癌症诊断中的应用
拉曼光谱和红外光谱技术在多种癌症的诊断中显示出了广泛的应用潜力。研究表明，这些技术可以减少不必要的活检，节省医疗资源，改善患者体验，并已被证明可用于不同类型的癌症检测。
前列腺癌：拉曼光谱可以指导前列腺活检程序和肿瘤切除边缘的术中评估。SERS技术已被用于通过免疫分析法和电化学SERS方法诊断前列腺癌，显示出极高的灵敏度和特异性。
皮肤癌：拉曼光谱技术可以实时、非侵入性地对皮肤病变的生化差异进行检测，为皮肤癌的早期诊断提供了新的手段。
胃癌和结直肠癌：拉曼光谱技术在区分正常粘膜、腺癌和息肉等方面展现出高灵敏度和特异性，可以作为组织病理学的补充工具。
乳腺癌：拉曼光谱技术在乳腺癌的无创检测、分级和分类中表现出潜力，可以区分恶性和良性组织，并在检测微钙化方面比乳房X线摄影具有更高的灵敏度。
脑癌：拉曼光谱技术也被用于脑肿瘤的比较研究，为手术切除过程中的肿瘤识别提供了新的指导方法。
此外，也有研究人员采用拉曼显微光谱法研究脂肪酸对癌症细胞生长和转移的影响。如图3所示，单不饱和脂肪酸大规模转变为多不饱和脂肪酸 (PUFA)，表明肿瘤发生了显著的变化。
图3. 四组脂肪酸不饱和度的密度分布。
研究总结
拉曼和红外光谱技术作为分子指纹检测工具，在生物医学应用中变得越来越受欢迎。这些技术提供了关于生物样本 (如组织、细胞和液体) 的化学组成和结构的详细信息。通过结合多元数据分析技术，这些技术可以作为健康筛查的可靠和高效工具。然而，这些方法的准确性可能受到生理条件和医疗治疗的影响，因此需要谨慎解释研究结果，并考虑潜在的混杂因素。未来的研究应该探索拉曼和红外光谱技术区分不同类型的癌症和识别特定疾病模式的能力，同时控制医疗治疗的影响。最终，这些技术的发展可能会提高系统的速度、便携性和成本，这些因素将决定技术在未来临床设置中被采纳的可能性。
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