准备一个拉曼的转变

Chandrasekhara Venkata拉曼,在印度加尔各答大学的物理学家,花了七年学习光。最初,他希望修改理论为什么大海是蓝色但很快意识到他无意中发现了可能更有趣的东西。1928年3月,他站在那里在印度南部班加罗尔的科学协会的成员、印度和指出模糊不清的谱图上的线。这些不起眼的白线在黑色背景的图片显示彩色光照射时发生了什么事通过液体苯——它改变了颜色。

色代表的第一次公开播出,成为被称为拉曼散射的光或喇曼效应。会影响整个物理科学,拉曼告诉听众在班加罗尔——辐射和波浪理论,x射线光学、热力学和化学。“我们显然是只在一个迷人的新区域的边缘的实验研究,”他说。“一切还有待解决。然而,他没有预见到的是对医学的影响。

有测试至少60种不同的液体和一些气体,拉曼和他的学生Kariamanickam Srinivasa克里希相信他们看到的散射是一个普遍的现象,称之为“一个新的辐射”。但事实证明,血液,牙齿和脑细胞散射光这样也和今天的拉曼光谱仪正越来越多地用于研究人体组织的分子组成。

我们只是在一个迷人的新区域的边缘的实验研究

简历拉曼

喇曼效应是因为物质分子振动的能量,或者把它给,光子,导致波长或颜色的变化。重要的是,这一变化的本质是独特的分子存在于材料;它可以被认为是一个化学指纹。因为拉曼光谱可以挑出非常小的化学变化,它允许生物医学研究人员发现即使是很小的波动与疾病相关的分子和归类组织根据他们是否健康。

这是实现拉曼尽管事实是“从根本上薄弱的技术”,解释道凯伦Faulds拉曼专家斯特拉斯克莱德大学的苏格兰。难以觉察的拉曼散射是早在1920年代,因为这样的一小部分入射光以这种方式表现;只有一百万分之一甚至1000万光子。拉曼和Krishnan不得不通过一个180毫米望远镜聚焦阳光让梁足够强的实验。根据Faulds,我们今天只能够获得更好的信号由于一系列技术进步:“仪表、探测器、激光、过滤器等。

发生了转变

现代拉曼光谱看起来很不同的图片——就像倒条形码一样——拉曼在班加罗尔。拉曼和Krishnan暴露两个摄影板块材料——在一个乐队代表光束的波长的光进入材料,另一方面,梁的退出。然后他们简单的比较,寻找波长的变化,或“转变”。

现代光谱显示只有转变,随着一系列的峰值,对应波长的变化。这种模式识别中的原子和分子材料,告诉我们一些关于他们是如何组织的。许多生物医学研究人员使用这种方法来研究活检或血清样本,而其他人则在动物或人类工作与生活组织。

根据Faulds,拉曼研究人员现在开始寻找他们的技术融入临床路径。那么你能使用拉曼光谱仪检测疾病?更多的比你想的——拉曼的诊断能力似乎是无限的,事实上。一个由路易斯Gonzalez-Solis Centro de los拉各斯大学在墨西哥,例如,拉曼测试诊断蛀牙,2型糖尿病,乳腺癌和宫颈癌,监测治疗白血病,就在过去的四年。另一组在麻省理工学院(MIT)在美国发展Raman-based技术指导硬膜外针的位置,为糖尿病患者连续血糖监测。

麻省理工学院的针位置技术Medisight,现在正在开发的子公司,提供最简单的例子,如何应用于拉曼区分一个人体组织,另一个。作为全Woong康麻省理工学院和Medisight解释说,一个硬膜外是一种常见的过程几乎完全依赖于临床医生的经验。它涉及到10厘米针插入一个2毫米两层之间的空间组织,难以识别;不出所料,这可能导致错误。“大约10 - 30%的针头进入错误的组织,导致并发症,”康说。的人认为硬膜外是一个非常安全的过程,因为它是如此常见…但即使在美国,每年有几例死亡或脊髓损伤的发生。我们开发的是一个intra-needle拉曼传感器,走进针和当我们插入它,我们在针提示实时识别组织。”

2016年,集团组织解剖检验了他们的针传感器从猪。他们使用机器学习算法分类的类型从各个组织拉曼光谱他们接近脊髓。他们的技术显示,不知道的关键分子的细节在每一个组织,只要一台机器可以区分它们。拉曼光谱的研究人员发现,每一个八层,从最外层的表皮和真皮的脊髓,有一个独特的签名。另外两个技术——漫反射系数和荧光光谱,不能完全区分。

同样,技术Gonzalez-Solis”组使用2018年区分从健康志愿者血清样本,2型糖尿病患者采用统计方法通常用于模式识别和机器学习。视觉上,糖尿病模式似乎略有不同典型的健康的拉曼光谱,如果两人覆盖,但差异小到足以显示一台机器需要每次都发现它们。

康的小组也进入繁忙的糖尿病的空间,他们的便携式拉曼传感器通过手腕袖口承诺连续葡萄糖监测;而葡萄糖从血液样本测量,它的感官以外的皮肤中的浓度。而“微创”传感器,原则上做类似的工作已经在市场上,病人仍有插入一根电线,Kang指出。好事是,持续的监控,但糟糕的是,这不是太准确,即使它是微创,仍然是侵入性的,”他说。自己的Raman-based,非侵入性的系统更准确阅读和承诺大约相同数量的常规血液测试需要重新校准传感器。

康和墨西哥团队的研究使用拉曼挑出相同的关键优势:它不受水的影响,这是一个重要的特性,当你研究人类体液和组织实际的东西。近红外光谱(NIR),另一个潜在的有用的非侵入性技术,存在这个问题。对水分子的振动非常敏感,和水的信号和葡萄糖重叠。因此,尽管近红外光谱产生更强烈的比拉曼信号,两队血糖监测的建议基本上是没有用的,因为水的干扰。

转向癌症治疗

如果糖尿病诊断和监测拉曼代表一个巨大的潜在市场,那么癌症诊断和手术可能是一个更大的一个。康目前发展中组织扫描仪区分肿瘤和非肿瘤组织使用不同的光谱技术的组合,一个是拉曼。与此同时,凯文Petrecca,一个神经外科肿瘤学家在加拿大的蒙特利尔麦吉尔大学,最近使用拉曼在脑部手术区分肿瘤和非肿瘤组织。他的最终目标是帮助保存时大脑的健康部分消除肿瘤。真的很好,我可以看到,使用“Faulds说。

英国仪器制造商英国,这使得拉曼光谱仪广泛应用,也与脑外科医生合作。与实习工作在牛津拉德克利夫医院神经外科医生詹姆斯·利弗莫尔在英国,他们已经直接从肿瘤组织称为神经胶质瘤和分析他们的生物分析仪仪器。我们安装这台机器旁边手术和外科医生从病人取出脑组织,我们拍了一些组织和分析它在我们的系统,”马丁伊莎贝尔解释说,英国科学家高级应用程序。所以我们能够给光谱。通常,神经胶质瘤分为不同基因亚型DNA测序和免疫抗体检测肿瘤组织和不同的亚型可能需要不同的治疗计划。然而,测试需要几天。拉曼系统,另一方面,可以提供立即的子类型基于生化的肿瘤。伊莎贝尔说,目的是走向一个外科医生,所使用的光纤拉曼探针,可以给他们的信息组织它们在实时操作。

然而,有妥协,当把拉曼从板凳上手持探测器。面临的挑战是微型化的组件没有减少已经弱的拉曼信号无法检测到的水平,或为检测的水平将是无用的小组织化学的变化。此外,使用光纤介绍材料,生产自己的拉曼信号,可能来自组织的信号。这是一个真正的权衡,是什么阻止了发展光纤的手术,”伊莎贝尔说。当麦吉尔组管理使用光纤拉曼探针在脑部手术,伊莎贝尔说光谱的质量是“不像他们所希望的伟大”,这意味着他们不得不做一些复杂的数据处理。康的葡萄糖传感器有类似的挑战,需要缩减到一个尺寸,可以轻松穿如果技术。

从动物到人

有办法提高疲软的拉曼信号,。变化之一是表面增强拉曼光谱(ser),基于这一事实将金属表面上的材料,如黄金纳米粒子,可以放大它的信号——超过一百万次。这是Faulds队使用的技术检测不同疾病的生物标记物。提供的信号,增强拉曼“记者”分子在纳米颗粒的表面。然后整个实体发送到癌症细胞或细菌,例如,与目标分子的帮助如抗体能够紧紧相关的生物标志物。这是一个技术,可以提供大量的信息任何疾病同时检测多个生物标志物。英国一直在测试类似的方法与新加坡Bioimaging财团合作,在液体检测癌症标记病人血清样本。但Faulds集团想要更进一步。现在我们真正推动是检测体内,”她说。

现在,体内动物实验手段。Faulds之一的研究团队使用ser检测心脏病的迹象得到人体组织移植小鼠生活。他们的研究将很快公布,但从本质上讲,他们给老鼠注射改性金纳米粒子针对炎症标记然后喇曼激光器照射。他们使用信息从拉曼光谱产生一个图像映射三个不同的标志——一个所谓的“多元”的方法。

所以也可以爵士在人体组织工作?“有点遥远,但我们要走向哪里,“Faulds说。结合另一个拉曼技术,这种空间位移喇曼光谱(传感器适用)检测信号从更深的组织内在诊断疾病,它可以提供前所未有的细节,有几种行之有效的标记。然而,有很多障碍需要克服,就像有毒的纳米颗粒的性质,使探测器敏感足够深的探测。伊莎贝尔指出,这是一个比传统拉曼更复杂的设置,它只是在激光的组织和看回来。美丽的拉曼一直是它的非侵入性和label-free。

还有注册之路,为新医疗设备导航。监管审批过程的监督下,甚至传统拉曼造成威胁,因为它使用激光,这有可能伤害眼睛。

根据Faulds,实际上它的应用程序将是那些能真正发挥作用,临床医生。“从历史上看,你知道,拉曼光谱学家总是告诉医生”我们有这个伟大的技术,你需要使用它!“‘Faulds笑着说。”,他们会说“嗯,这不会真正改变什么。”但她认为这种方法现在正在消失,光谱学家更感兴趣与临床医生合作找出技术将帮助他们。仍然需要从临床,伊莎贝尔说,更大的意识拉曼的承诺,在某些情况下,接受可能有更好的做事方式。

我们现在很长的路从简单的线状谱了喇曼本人在班加罗尔。当他发现保持不变的基础物理,影响广泛播种。90年,拉曼光谱可能仍然被视为一个“弱”技术,但将有一个强大的影响我们处理疾病的方式。

海莉班纳特是一个基于科学作家在布里斯托尔,英国