武汉工程大学光学信息与模式识别湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430205
还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)在维持细胞生长、 分化、 能量代谢以及细胞保护方面起着非常重要的作用, NADH的无创在体检测具有非常重要的意义。 运用激光拉曼散射实验和密度泛函理论(DFT)计算研究了200~3 300 cm-1光谱范围内NADH分子的振动模式特性。 DFT计算采用了B3LYP杂化方法, 并选用了极化6-311+G(d,p)基组。 为了准确的分析NADH分子的振动模式和频率, 首先运用B3LYP/6-311+G(d,p)理论对NADH分子的基态结构进行了几何优化, 并计算了基态结构NADH分子的各个键长和键角。 同时考虑到DFT计算中的非谐性, 运用波数线性标度方法对所有计算所得振动模式波数重新进行了标度。 重新标度后, DFT计算所得的振动模式波数与激光拉曼散射实验观测到的拉曼峰波数吻合的很好: 在200~3 300 cm-1整个光谱范围内, 计算与实验结果具有非常好的线性相关性, 而且大部分振动模式的计算与实验之间的偏差都小于5 cm-1。 此外, 讨论了实验观察所得拉曼光谱的分子振动模式归属, 分析了NADH分子中腺嘌呤、 烟酰胺、 及二核苷酸的特征振动模式, 并初步提出了运用拉曼光谱实现NADH快速准确无创在体检测的方法。 位于732 cm-1处的拉曼峰是腺嘌呤的特征振动模式, 而且可以选为检测NADH分子的最特征拉曼峰。 位于1 690 cm-1处的拉曼峰是烟酰胺的特征振动模式, 可以选为进一步准确检测NADH分子的另一个特征拉曼峰。 位于1 086和1 339 cm-1两处拉曼峰的组合可以作为二核苷酸的特征振动模式, 用于进一步更准确的检测NADH分子。 所以在运用拉曼光谱法实现NADH快速准确无创在体检测时, 可以首先运用位于732 cm-1处NADH分子的最特征振动模式进行快速检测, 然后再运用位于1 690 cm-1及1 086和1 339 cm-1组合等特征振动模式进行准确分析。
拉曼光谱 Raman spectroscopy DFT NADH DFT NADH 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1679
武汉工程大学光学信息与模式识别湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430205
研发了一套血流介导皮肤荧光光谱(FMSF)检测系统,该系统可以非侵入性地检测人体皮肤内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)荧光光谱的动态变化;对该系统中的荧光探头进行了仿真设计,以提高NADH荧光的收集效率。首先构建人体7层皮肤结构模型,采用蒙特卡罗(Monte-Carlo)方法模拟组织中光子的传输规律;然后探究了收集光纤的纤芯直径、激发光纤与收集光纤的近边缘距离、光纤探头与皮肤之间的距离等对荧光光谱检测的影响;最后根据模拟结果研制了一套光纤探头,并将其应用于皮肤NADH荧光光谱检测系统中。结果表明:采用该系统结合闭塞后反应性充血可以在体检测NADH荧光光谱,光谱强度呈现一种明显的动态变化。与现有技术相比,基于FMSF技术的皮肤NADH检测方法具有测量速度快、无创等优势,为研究线粒体能量代谢及糖尿病等相关疾病提供了先进的技术手段。
医用光学 荧光光谱 光纤探头 无创检测 蒙特卡罗模拟 激光与光电子学进展
2021, 58(22): 2217002
1 中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所, 安徽省生物医学光学仪器工程技术研究中心, 安徽 合肥 230031
2 皖江新兴产业技术发展中心, 安徽 铜陵 244000
组织固有荧光光谱定义为未受生物组织吸收、 散射作用影响的荧光光谱, 能够直接反映组织微观结构和生物化学性质信息。 为了减少吸收和散射特性对组织荧光光谱的干扰, 从实测的组织荧光光谱中复原更能反映组织荧光特性的组织固有荧光光谱, 搭建了基于光纤探头的组织光谱测量系统, 实现生物组织相同位置处的荧光光谱和漫反射光谱测量。 提出运用扩散理论从实测的漫反射光谱中提取组织生理参数, 包括组织中血液体积分数、 血氧饱和度、 黑色素含量以及波长500 nm处约化散射系数和瑞利散射在总散射中的比例, 进而计算可见波段范围内的组织光学参数； 然后, 根据组织光学参数和实测的漫反射光谱, 从实测的荧光光谱中复原得到组织固有荧光光谱。 进行临床试验验证, 采集受试者皮肤组织荧光光谱与组织漫反射光谱, 并复原皮肤固有荧光光谱。 通过复原得到的固有荧光光谱反映人体皮肤糖基化终产物积聚量, 并最终用于糖尿病无创筛查。 结果显示, 分别使用实测的荧光光谱和复原得到的固有荧光光谱用于糖尿病筛查时, 在特异性水平同为75%时, 敏感性分别为69%和90%。
生物医学光学 扩散理论 漫反射光谱 光学参数 固有荧光光谱 Biomedical optics Diffusion theory Diffusion reflectance spectrum Optical parameters Intrinsic fluorescence spectrum 光谱学与光谱分析
2016, 36(12): 3836
1 中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所安徽省生物医学光学仪器工程技术研究中心， 安徽 合肥 230088
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院， 安徽 合肥 230026
3 安徽中医药大学第一附属医院内分泌科， 安徽 合肥 230031
皮肤胆固醇是评估动脉粥样硬化性疾病风险的新型生物标志物。为实现皮肤胆固醇的无创、快速检测，设计了一套基于漫反射光谱技术的检测系统。采用毛地黄皂苷-辣根过氧化物酶共聚物溶液模拟梯度浓度皮肤胆固醇。通过检测该共聚物溶液和受试者在体皮肤胆固醇，验证了系统的可行性。结果表明，在440~550 nm特征波段内，由相对漫反射率引入的参数S值与共聚物溶液浓度呈线性关系（相关系数r=0.992，P<0.01）；控制年龄、性别等因素后，受试者在体皮肤胆固醇无创检测结果与血液中总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇呈显著正相关，相关系数r分别为0.837（P<0.01）和0.778（P<0.01）。漫反射光谱技术为皮肤胆固醇的检测提供了一种无创、便捷的方法。在体皮肤胆固醇的无创检测有助于动脉粥样硬化性疾病的早期发现。
医用光学 皮肤胆固醇 漫反射光谱 无创检测 动脉粥样硬化
1 中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 皖江新兴产业技术发展中心, 安徽省生物医学光学仪器工程技术研究中心, 安徽 铜陵 244000
针对皮肤胆固醇无创检测的迫切需求, 设计了一种基于微型光谱仪的便携式和智能化的皮肤漫反射光谱实时测量系统。 配制毛地黄皂苷—辣根过氧化物酶共聚物溶液, 利用毛地黄皂苷可与皮肤胆固醇分子中的羟基特异性结合和辣根过氧化物酶能与TMB试剂(主要成分为3,3’,5,5’-四甲基联苯胺)反应显色的特性, 实现皮肤胆固醇的高灵敏和高特异的识别与指示, 并通过测量反应后颜色的变化程度来定量皮肤胆固醇的浓度。 以与人体皮肤结构相近的猪皮肤为实验对象, 采用萃取法获得梯度浓度的胆固醇样本, 利用上述光谱测量系统检测样本内的胆固醇浓度来验证该方法的可行性。 实验结果显示, 相对漫反射率能够区分不同浓度的胆固醇样本, 在特征单波长(442, 450和463 nm)处和特征波段442~500 nm内, 漫反射率强度因子均可以定量反映样本内的胆固醇浓度, 经线性拟合, 判定系数R2分别为0.960, 0.959, 0.958和0.958。 研究结果表明, 使用漫反射光谱技术可以实现皮肤胆固醇的快速无创检测, 将其应用于动脉粥样硬化性疾病风险评估, 对于该类疾病的防控具有重要意义。
皮肤胆固醇 无创检测 漫反射光谱 动脉粥样硬化 Skin cholesterol Noninvasive detection Diffuse reflectance spectroscopy Atherosclerosis 光谱学与光谱分析
2016, 36(10): 3215
1 中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所安徽省生物医学光学仪器工程技术研究中心, 安徽 合肥 230031
2 皖江新兴产业技术发展中心, 安徽 铜陵 244000
为减少吸收和散射对生物组织荧光光谱的干扰，使用蒙特卡罗（MC）方法模拟不同光学参数下的生物组织荧光和漫反射光，提出基于组织漫反射光谱的荧光复原方法。将复原算法中的经验参数编码为解空间中的一个粒子，以组织荧光临床应用效果作为适应值，构建粒子群优化（PSO）算法实现经验参数优化。利用已建立的用于糖尿病无创筛查的组织光谱测量系统，收集327例受试者的皮肤组织荧光光谱和漫反射光谱，使用基于PSO的组织荧光复原算法进行光谱复原。以复原前、后的组织荧光光谱强度作为输入变量进行受试者工作特性（ROC）曲线分析，观察其在糖尿病筛查中的应用价值。结果显示，采用复原前的组织荧光光谱作为输入变量用于糖尿病筛查时，ROC曲线覆盖面积为0.54，最佳诊断点对应的敏感性为32%、特异性为76%；以复原后的组织荧光光谱作为输入变量时，ROC曲线覆盖面积为0.86，最佳诊断点对应的敏感性和特异性分别为72%、86%。上述结果表明，使用基于PSO的组织固有荧光光谱复原算法能有效提高组织荧光光谱的临床应用价值。
医用光学 粒子群优化算法 漫反射光谱 荧光光谱 光谱复原
1 中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽 合肥 230031
2 皖江新兴产业技术发展中心, 安徽 铜陵244000
组织荧光光谱技术可用来定量测量组织生物化学性质及组织结构的变化,进而实现疾病早期诊断.为提高组织荧光光谱检测的准确性,提出了组织荧光光谱检测系统校准流程及具体实现方法,包括激发光强校准、传输光路传光效率校准、探测模块波长校准和非线性校准、系统光谱响应校准、暗背景扣除、光谱平滑.搭建三套组织荧光光谱检测系统,并分别对荧光标准板和人体皮肤组织进行实验测试,结果显示未校准时三套系统对同一荧光板和同一受试者的荧光强度测量结果变异系数分别为7.4%和10.4%,校准后变异系数分别为0.9%和2.0%.
医用光学 组织荧光 光谱校准 无创检测 激光与光电子学进展
2015, 52(8): 081701
