准备好拉曼换班

印度加尔各答大学的物理学家钱德拉塞卡拉·文卡塔·拉曼花了七年时间研究光。起初，他希望修正关于海洋为什么是蓝色的理论，但很快意识到他无意中发现了一些可能更有趣的东西。1928年3月，他站了起来在班加罗尔的南印度科学协会成员面前他指出了粒状谱图上的线条。这些黑底白线的普通图像显示了当他将有色光照射在液态苯中时发生的变化——颜色发生了一点变化。

这些光谱图代表了后来被称为拉曼散射光或拉曼效应的第一次公开播出。拉曼告诉他在班加罗尔的听众，这将影响整个物理科学——辐射和波动理论、x射线光学、热力学和化学。他说:“我们显然只是处在一个迷人的实验研究新领域的边缘。”“一切都有待解决。然而，他没有预见到这对医学的影响。

有测试了至少60种不同的液体和一些气体，拉曼和他的学生卡里amanickam Srinivasa Krishnan被说服，他们看到的散射是一种普遍现象，并称之为“一种新的辐射”。但事实证明，血液、牙齿和脑细胞也以这种方式散射光，今天的拉曼光谱仪越来越多地用于研究人体组织的分子组成。

我们只是处在一个迷人的实验研究新领域的边缘

简历拉曼

拉曼效应的产生是由于材料中的分子振动从光子中获取能量或将能量传递给光子，从而导致波长或颜色的变化。重要的是，这种变化的性质对于居住在材料中的分子是独一无二的;它可以被认为是一种化学指纹。因为拉曼光谱学可以找出非常微小的化学变化，它使得生物医学研究人员能够发现与疾病相关的分子中的微小波动，并根据它们是否健康对组织进行分类。

尽管拉曼“从根本上来说是一种薄弱的技术”，但这是可以实现的，解释说凯伦Faulds他是苏格兰斯特拉斯克莱德大学的拉曼专家。拉曼散射在20世纪20年代几乎无法探测到，因为入射光中只有很小一部分是这样的;只有百万分之一甚至一千万光子。拉曼和克里希南必须通过180毫米望远镜聚焦阳光，以获得足够强的光束用于他们的实验。Faulds表示，由于大量的技术进步，我们今天能够获得更好的信号:“仪器、探测器、激光、滤波器等等。”

发生了转变

现代拉曼光谱看起来与拉曼在班加罗尔展示的图像(就像倒置条形码一样)非常不同。拉曼和克里希南为每种材料暴露了两块感光板——在一块上，波段代表进入该材料的光束中的光波长，而在另一块上，则代表离开该材料的光束中的光波长。然后他们简单地比较它们，寻找波长的变化，或“位移”。

现代光谱只显示了位移，即一系列对应于波长变化的峰。这种模式识别了材料中的原子和分子，并告诉我们它们是如何组织的。许多生物医学研究人员正在使用这种方法来研究活组织检查或血清样本，而其他人则在研究动物或人类的活组织。

Faulds说，Raman研究人员现在开始寻找方法，使他们的技术适应临床路径。那么用拉曼光谱仪可以检测出什么疾病呢?事实上，拉曼的诊断能力似乎是无限的。一个由路易斯·González-Solís在拉各斯大学中心领导的研究小组例如，在墨西哥，就在过去的四年里，他们测试了拉曼技术来诊断蛀牙、2型糖尿病、乳腺癌和宫颈癌，以及监测白血病的治疗。美国麻省理工学院(MIT)的另一个小组正在开发基于拉曼的技术，用于指导硬膜外针的放置和糖尿病患者的持续血糖监测。

麻省理工学院的插针技术目前由衍生公司Medisight开发的这种方法，可能是如何应用拉曼技术来区分人体组织的最直接的例子。全雄康麻省理工学院而且Medisight解释说，硬膜外麻醉是一种常见的手术，几乎完全依赖于临床医生的经验。它包括将一根10厘米长的针插入两层难以识别的组织之间2毫米的空间;不出所料，这会导致错误。“大约10-30%的针头扎错了组织，导致了并发症，”康说。“人们认为硬膜外麻醉是一种非常非常安全的手术，因为它非常普遍……但即使在美国，每年也会发生几起死亡或脊髓损伤的病例。”所以我们开发了一种针内拉曼传感器，它可以插入针内，当我们插入它时，我们可以实时识别针尖的组织。”

2016年，该小组在猪的解剖组织中测试了他们的针式传感器。他们使用机器学习算法对从靠近脊髓的各种组织中获得的拉曼光谱类型进行分类。正如他们的技术所表明的那样，只要机器能够区分它们，了解每个组织内分子的细节并不重要。研究人员发现，从最外层的表皮/真皮层到最内层的脊髓，八层中每一层的拉曼光谱都有独特的特征。另外两种技术——漫反射和荧光光谱——不能完全区分。

类似地，González-Solís '组2018年使用为了区分来自健康志愿者和2型糖尿病患者的血清样本，采用了模式识别和机器学习中常用的统计方法。从视觉上看，如果两者重叠，糖尿病模式确实与典型的健康拉曼光谱略有不同，但差异很小，足以表明每次都需要一台机器来识别它们。

Kang的团队也进入了繁忙的糖尿病领域，他们的便携式拉曼传感器可以通过手腕袖进行持续的血糖监测;它不是从血液样本中测量葡萄糖，而是从皮肤外感知浓度。Kang指出，虽然原则上具有类似功能的“微创”传感器已经上市，但患者仍然需要插入一根电线。他说:“好处是它可以持续监测，但坏处是它不太准确，尽管它是微创性的，但它仍然是侵入性的。”他自己的基于拉曼的非侵入式系统保证了更准确的读数和大约相同数量的需要定期验血来重新校准传感器。

康和墨西哥团队的研究都指出了使用拉曼的相同关键优势:它不受水的影响，这是一个重要的特征，当你研究人体体液和组织时，实际上是由这种物质组成的。近红外光谱(NIR)，另一种潜在的有用的非侵入性技术，也面临着这个问题。它对水分子的振动非常敏感，水和葡萄糖的信号重叠。因此，尽管近红外产生的信号比拉曼信号强烈得多，但两个团队都认为，由于水的干扰，近红外对葡萄糖监测基本上是无用的。

转向癌症治疗

如果糖尿病诊断和监测是拉曼的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市场。Kang目前正在开发一种组织扫描仪，它使用不同的光谱技术组合来区分癌组织和非癌组织，其中一种是拉曼光谱技术。与此同时,凯文Petrecca加拿大蒙特利尔市麦吉尔大学的神经外科肿瘤学家，最近在脑部手术中使用了拉曼区分癌变组织和非癌变组织．他的最终目标是在切除肿瘤时帮助保留大脑的健康部分。Faulds说:“这真的很好，我可以看到它被利用了。”

英国仪器制造商英国该公司生产的拉曼光谱仪应用范围广泛，也在与脑外科医生合作。他们与英国牛津拉德克里夫医院的实习神经外科医生詹姆斯·利弗莫尔(James Livermore)合作，直接从一种叫做神经胶质瘤的肿瘤中提取组织，并用生物分析仪对其进行分析。雷尼绍的高级应用科学家马丁·伊莎贝尔解释说:“我们把这台机器安装在手术旁边，当外科医生从病人身上取出脑组织时，我们取了一些组织，在我们的系统上进行分析。”“所以我们当时就能给出光谱。“通常，通过DNA测序和肿瘤组织抗体检测，胶质瘤被分为不同的遗传亚型，不同的亚型可能需要不同的治疗方案。”然而，测试可能需要几天时间。另一方面，拉曼系统可以根据肿瘤的生化特征直接指示肿瘤的亚型。伊莎贝尔说，他们的目的是研制一种光纤拉曼探头，供外科医生使用，为他们实时提供手术组织的信息。

然而，当拉曼从长凳上搬到手持探针上时，需要做出一些妥协。挑战是在不将已经很弱的拉曼信号降低到无法检测的水平，或者降低到对检测组织化学的微小变化毫无用处的水平的情况下，将组件小型化。此外，使用光纤引入了能产生自身拉曼信号的材料，有可能压制来自组织的信号。伊莎贝尔说:“这是一个真正的权衡，它阻止了光纤在外科手术中的发展。”因此，虽然麦吉尔大学的研究小组成功地在脑部手术中使用了光纤拉曼探针，但伊莎贝尔说，他们的光谱质量“没有他们希望的那么好”，这意味着他们必须进行一些复杂的数据处理。Kang的葡萄糖传感器也面临着类似的挑战，如果这项技术要发展起来，它需要缩小到可以舒适佩戴的尺寸。

从动物到人类

不过，有很多方法可以增强微弱的拉曼信号。一种变化是表面增强拉曼光谱(Sers)，它是基于这样一个事实:将一种材料放在金属表面，比如金纳米颗粒，可以将其信号放大100多万倍。Faulds的团队正在使用这种技术来检测不同疾病的生物标志物。它们增强的信号是由纳米颗粒表面的拉曼“报告”分子提供的。然后，在抗体等靶向分子的帮助下，整个实体被传递到癌细胞或细菌中，这些靶向分子可以锁定相关的生物标志物。这项技术可以通过同时检测多种生物标志物来提供关于任何特定疾病的大量信息。雷尼绍一直在与新加坡生物成像联盟(Singapore Bioimaging Consortium)合作，测试一种类似的方法，用于检测取自患者的液体血清样本中的癌症标志物。但是Faulds的团队想要更进一步。她说:“我们现在真正努力的是在体内进行检测。”

目前，体内实验指的是动物实验。Faulds是一组研究人员之一，他们使用Sers检测接受人体组织移植的活小鼠的心脏病迹象。他们的研究将很快发表，但本质上，他们给小鼠注射了针对炎症标记物的改良金纳米颗粒，然后用拉曼激光照射它们。他们利用来自拉曼光谱的信息生成了一幅映射三种不同标记的图像——一种所谓的“多重”方法。

那么，Sers在人体组织中也能起作用吗?“这有点遥远，但这是我们想要朝着的方向，”Faulds说。结合另一种拉曼技术——空间偏置拉曼光谱(sor)检测组织深处的信号在美国，它可以提供前所未有的诊断疾病的细节，这些疾病有几个公认的标记。然而，还有很多障碍需要克服，比如纳米颗粒的毒性，以及使探针足够灵敏，可以进行深度探测。正如伊莎贝尔所指出的，这比传统的拉曼技术要复杂得多，传统的拉曼技术只是用激光照射组织，然后观察返回的结果。拉曼的美妙之处在于它是非侵入性和无标签的。

对于新的医疗设备来说，注册也是必须要经过的。在监管审批程序的审查下，即使是传统的拉曼也存在风险，因为它使用激光，有可能伤害眼睛。

根据Faulds的说法，真正的应用程序将会对临床医生产生真正的影响。“历史上，你知道，拉曼光谱学家总是告诉临床医生，‘我们有这项伟大的技术，你需要使用它!Faulds笑着说。’他们会说，‘嗯，那也改变不了什么。但她认为这种方法现在正在消失，光谱学家更有兴趣与临床医生合作，找出有助于他们的技术。伊莎贝尔说，临床方面仍然需要更多地认识到拉曼的承诺，在某些情况下，接受可能有更好的方法来做事。

我们现在离拉曼本人在班加罗尔提出的简单线谱还有很长的路要走。虽然他的发现的基本物理原理没有改变，但其影响却广泛传播。90年过去了，拉曼光谱学可能仍然被视为一种“弱”技术，但它将对我们应对疾病的方式产生强大的影响。

海莉·贝内特是英国布里斯托尔的科学作家