Nanophotonics（综述）：拉曼光谱在药物诊断中的研究进展

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图片来源：Optics Balzers

撰稿 | tony chen

近年来，重大疾病例如恶性肿瘤，败血症等已经成为致死的重要原因之一。因此，采用合适，准确的工具方法对疾病进行早期诊断就显得至关重要。

目前，对病人体液中抗生素和抗癌药物含量的检测大部分采用色谱和电泳技术。样品制备复杂，检测时间长等问题往往会耽误病人治疗的最佳时间。光子技术可以快速，准确，高效的检测出病人体内的药物含量，为后续治疗提供最佳的方案。

本文介绍了拉曼光谱的研究意义，以及拉曼光谱的几种技术研究方向在药物监测领域的应用：包括表面增强拉曼光谱，光纤增强拉曼光谱，基于光线阵列的拉曼化学成像，空间偏移拉曼光谱和拉曼光活性及对映选择性拉曼光谱五个方面，详细讨论了每个研究方向的工作原理，技术特点以及应用范围，并指出拉曼光谱在未来制药过程，临床治疗药物以及法医鉴定方面的发展方向和面临问题。

01

表面增强拉曼光谱

拉曼光谱具有分子指纹图谱的特性，是一种分子振动和转动的光谱，可根据拉曼谱线的偏振度，频率和强度的不同，对待测物质和结构进行研究。普通的拉曼光谱信号非常弱，这极大影响在微量甚至痕量检测领域的应用。

随着纳米技术的发展，研究人员发现，在外光激励下，纳米结构贵金属（金，银，铜）表面的自由电子可以和光子相互作用产生简谐振荡，从而有效地调节周围电场的分布情况，当发光频率与表面电子振荡频率相同时，金属表面会发生表面等离共振并且产生很大的局域电磁场增强情况。

表面增强拉曼光谱是指在等离激元纳米结构表面或分子靠近时，拉曼信号会显著增强（增强因子可达1011），这使得拉曼光谱在临床检测和法医现场勘察成为可能。

同时，改变金属纳米结构，对金属纳米结构进行化学修饰，选取氧化石墨烯作为衬底不仅可以增强拉曼信号，也可避免一些待测分子信号（特定蛋白）被待测物质中其他分子信号覆盖的情况发生（图1）。

图1. 在表面增强拉曼光谱中，蛋白质检测遇到的问题和解决方案

02

光纤增强拉曼光谱

增强拉曼信号的另一种方法是光纤增强拉曼光谱，工作原理是激光被耦合进空芯光纤，光纤的空芯处充满了样品溶液。激光与溶液中相互作用的分子数量随光纤的延长而增加（图2）。

图2. 传统拉曼光谱待测液的体积和光纤增强拉曼光谱待测液的体积

影响信号强度因素包含：激光强度，光纤材质，长度等。

针对这种传感技术，作者总结了三种光纤：

1.空芯光子晶体光纤，用于分析生物标记和细胞。

2.特制空气包层光纤（图3A），用于分析尿液中的抗生素。

3.微结构聚合物空芯光纤（图3B），有望用于分析尿液中葡萄糖含量的情况。

图3. A特制空气包层光纤 B微结构聚合物空芯光纤

03

基于光纤阵列的拉曼化学成像

目前，制药过程中，许多工作人员无法确定药物分子结构，粒度跟计划相比是否发生变化，如要检验，就需要将药品变成溶液，这即耗时间，又耗财力，尤其是假药，更需要鉴别。

作者针对这一现象，提出了基于光纤阵列的拉曼化学成像技术，其工作原理是化学成像利用拉曼光谱产生特殊分子的图像对比度，每种分子都有一个属于自己的吸收光谱，激光照射样品后，反射光经过光纤阵列光导处理后，可以对样品不同区域进行成像，成像结果不需要染色，样品也无需预处理，可以得到大批待测物的定位定量信息。

同时，拉曼化学成像也可提高表面增强拉曼光谱的检测速度，起到一个“1对多”的检测效果（图4）。对在线监测制药质量方面有潜在应用价值。

图4 基于光纤阵列的拉曼光谱成像装置

04

空间偏移拉曼光谱

相比传统拉曼光谱只能探测待测物表面信息，空间偏移拉曼光谱能够以非侵入方式探测样品内部深层特征信息，工作原理是入射激光照射到样品表面时，有一部分散射光会到达样品内部，样品内部产生的拉曼散射信号相比于样品表面的光子在散射过程中会出现横向迁移，在多次散射过程后会返回待测物表面，从而被探测系统收集。

根据探测偏移距离△X，结合分析方法，会得到样品内部不同深层次的拉曼光谱（图5）。

图5. 空间偏移拉曼光谱原理图

并且该技术可以跟表面增强拉曼光谱技术融合，实现拉曼信号增强的效果，在制药过程，法医现场勘探等有很好的应用潜力。

05拉曼光活性及对映选择性拉曼光谱

许多药物分子和生物分子都是手性结构，而这些分子至少包含两种结构，即左旋和右旋，称为对映体，这种特定的结构决定了化学活性成分与特定目标，例如蛋白质和DNA的结合，已达到药物作用于病原体的效果。

拉曼光活性的工作原理尚未有一个清楚的定论，但是源于光子与分子之间的二级相互作用，要远高于红外光谱和拉曼光谱，是一种识别和定量分析分子的特殊拉曼光谱技术。

应用表现在检测抗癌药物和蛋白质结合过程中，DNA结构的变化，以判断治疗效果。对映选择性拉曼光谱是基于检测偏振分辨信号的方法。

工作原理是线偏振激光照射样品，由于分子结构的对映体区别，根绝不同对映体对偏振光的吸收情况可以判断其组分。因此，在手性药物合成的过程中实现在线监测。 

未来发展方向

一．在药物监测领域：增强待测物的拉曼信号，减少制药过程中检测样品时间，提高待测样品内部信息的探测深度，减少制备样品的环节和数据收集的周期，通过调节激发光波长的方法克服荧光样品信息难获得的问题。

二．在治疗药物监测和法医鉴定领域：快速，准确的获取信息是未来重点研究目标，作者建议采用唾液，指纹来取代尿液，从而获取病人体内药物含量的情况。并且制备微纳结构来提高拉曼信号，使监测鉴定更加准确。

德国布莱尼茨研究所 Torsten Frosch 等人在 Nanophotonics 上发表题为《纳米光子技术—拉曼光谱在药物检测领域的研究进展》 (Recent advances in nano-photonic techniques for pharmaceutical drug monitoring with emphasis on Raman spectroscopy) 的综述。

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