1 北京大学口腔医学院·口腔医院牙周科, 国家口腔疾病临床医学研究中心, 口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室, 口腔数字医学北京市重点实验室, 北京 100081北京大学口腔医院第二门诊部, 北京 100101
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100101中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100101天津中科谱光信息技术有限公司, 天津 300392
4 北京大学口腔医学院·口腔医院牙周科, 国家口腔疾病临床医学研究中心, 口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室, 口腔数字医学北京市重点实验室, 北京 100081
牙周炎是牙齿周围软硬组织的一种感染性、 破坏性疾病, 主要临床表现为牙周袋的形成, 临床附着丧失以及牙槽骨吸收。 可见近红外光谱技术具有无创、 快速检测等优势, 在医学领域得到了较为广泛的应用。 利用可见近红外光谱技术检测重度牙周炎牙龈组织内含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量。 本研究纳入5名健康对照者和5名重度牙周炎患者, 采集健康者20个位点和重度牙周炎20个位点龈缘、 龈缘下4 mm及龈缘下7 mm的牙龈组织光谱（400～1 700 nm）, 研究发现含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白分别在544和576 nm处表现出明显光谱吸收特征。 对原始光谱数据进行包络线去除分析, 并计算含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的相对吸收深度。 结果表明重度牙周炎牙周袋内的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量均显著高于健康组（p<0.05）, 而重度牙周炎深牙周袋内不同深度位置其含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量无统计学差异。 研究结果可反映重度牙周炎与健康牙龈组织中血氧含量差异, 为可见近红外光谱技术应用于牙周炎患者牙龈组织中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的无创检测提供科学依据。
可见近红外光谱 无创检测 牙周炎 含氧血红蛋白 脱氧血红蛋白 Visible near-infrared spectroscopy Periodontitis Noninvasive detection Oxygenated hemoglobin Deoxyhemoglobin 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2563
河南科技大学食品与生物工程学院, 食品加工与安全国家级教学示范中心, 食品加工与质量安全控制 河南省国际联合实验室, 功能食品资源研究与利用河南省教育厅科技创新团队, 河南 洛阳 471023
猪血红蛋白(PHb)可以赋予和提升食品在制备、 加工和贮藏过程中的品质, 但因其黏度大、 性质不稳定、 且血腥味较重而不被人们所接受等因素, 限制了其在食品中的应用。 因此, 改性是提升其经济效益及生物可利用度的一种重要手段。 探究了儿茶素(Catechin)与糖基化猪血红蛋白(G-PHb)相互作用对复合物(CG-PHb)功能特性及结构变化的影响。 以PHb和G-PHb为对照, 研究CG-PHb的溶解度、 浊度、 乳化性能、 表面疏水性以及抗氧化性等功能特性, 采用紫外-可见光谱、 荧光光谱、 傅里叶变换红外光谱和扫描电镜, 分析CG-PHb的结构变化。 结果表明： 相较于PHb和G-PHb, CG-PHb的溶解度显著提高(p<0.05), 浊度显著降低(p<0.05); 乳化性以及乳化稳定性相较于对照组, 分别提高了38.36%、 21.31%和16.08%、 3.69%(p<0.05); 三者中CG-PHb的表面疏水性最大; 抗氧化性随着溶液浓度的升高不断增大, 溶液浓度为1.60 g·mL-1时, 抗氧化性最高达93.60%; CG-PHb的紫外吸收峰相较于对照组峰形变宽、 峰值增大且略微红移; 荧光峰强度大小为： CG-PHb>PHb>G-PHb, 且随着儿茶素的浓度增大, G-PHb的荧光猝灭效果呈现增强趋势, 并发生红移现象; CG-PHb的酰胺I带向低波数方向移动, 且二级结构含量中β-折叠含量显著增加(p<0.05), 其余结构含量减少(p<0.05); 此外, 电镜结果表明, 由于糖基基团的嵌入及与儿茶素之间的作用力, 使蛋白质的结构发生了变化, CG-PHb的表面孔洞结构增加, 有利于其功能特性的发挥。 该研究可以为蛋白质的改性研究提供新思路, 为复合物在食品加工过程中的性质变化提供理论基础及参考。
糖基化 猪血红蛋白 儿茶素 相互作用 结构特性 Glycosylation Porcine hemoglobin (PHb) Catechin Interaction Structural characteristics 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3615
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200241
具有长波长荧光发射特性的碳点(CDs)材料由于其在生物领域的广阔应用而受到越来越多的关注。 长波长发射荧光碳点的合成主要基于高温高压的方法, 室温合成的方法和研究还比较少。 采用碱催化的方式, 将氢氧化钠溶液与果糖溶液混合后透析, 无需加热和其他额外的能量输入即可制备出一种蓝绿色发光可调的碳点, 并通过透射电子显微镜、 紫外-可见分光光度计、 稳态荧光光谱仪等光谱技术对合成碳点进行了表征。 进一步采用圆二色分光光度计和皮秒时间相关单光子计数等测量系统对碳点与牛血红蛋白(BHb)之间的相互作用进行了探究。 虽然已有较多应用碳点检测BHb的研究, 但这些研究更注重分析BHb检测的效果, 而对BHb猝灭碳点荧光的机理还缺少较为详细的系统性证明。 测量得到了二者在不同温度下相互作用的Stern-Volmer图像, 以及碳点在BHb加入前后的荧光寿命, 结果表明BHb对碳点荧光的猝灭是一个静态的过程。 并且在该过程中, BHb的α-螺旋含量下降了约3%, 证明了碳点会使蛋白的结构发生改变。 BHb与碳点混合后形成了复合物, 导致碳点的荧光下降。 通过分析干扰样品以及反应时间对检测BHb的影响, 证实了碳点检测BHb具有良好的选择性和稳定性。 另外, 碳点荧光强度下降, 下降比例与BHb浓度成线性关系, 因此可以设计基于碳点荧光猝灭的血红蛋白生物传感器, 用于微量BHb的特异性检测, 所检测的线性范围为0～5 μmol·L-1, 检测限为243 nmol·L-1(S/N=3)。 所合成的碳点还可以实现双波长激发检测, 实验证实在370和425 nm激发下, 碳点的荧光猝灭程度和BHb的浓度之间表现出良好的线性关系, 这为该荧光探针检测BHb提供了更多的应用价值。 由于该碳点的合成手段简便, 操作技术难度低且合成原料容易获得, 该荧光探针对BHb的微量检测在生命科学研究和刑侦领域都具有十分重要的意义。
碳点 血红蛋白 荧光探针 荧光猝灭 光谱技术 Carbon dots Hemoglobin Fluorescent probe Fluorescence quenching Spectroscopy 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3365
1 中南民族大学生物医学工程学院，湖北 武汉 430074
2 认知科学国家民委重点实验室，湖北 武汉 430074
3 医学信息分析及肿瘤诊疗湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074
4 临沂格莱普园林机械有限公司，山东 临沂 276700
5 武汉长海高新技术有限公司，湖北 武汉 430223
6 武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070
基于反向传播（BP）神经网络模型结合联合区间等间隔偏最小二乘法（SiPLS），设计了SiPLS-BP模型定量分析复杂背景下血红蛋白含量。以186个不同浓度血红蛋白的血液样本和39个不同浓度的血红蛋白仿体溶液样本的近红外光谱数据为研究对象，优选出最佳的数据集划分方法、最佳划分比例和最佳预处理方法，利用SiPLS优选波段，构建SiPLS、SiPLS-BP、全谱偏最小二乘法（PLS）和全谱BP四种定量分析模型，并进行分析对比。实验结果表明：两种样本的最佳定量分析模型均为SiPLS-BP。即使采用相同的特征波长优选方法，每个模型优选的波段也并不完全相同。对于背景复杂、样本差异性较大的混合溶液和血液，SiPLS-BP模型具有更好的预测效果，能更准确地定量分析血红蛋白浓度。研究结果为复杂背景下的血红蛋白定量分析提供了参考。
光谱学 近红外光谱 特征波长优选 血红蛋白 反向传播神经网络 中国激光
2023, 50(21): 2107203
1 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
通过混沌相关光纤环衰荡传感系统实时监测氧化石墨烯沉积过程，并采用氧化石墨烯功能化锥形光纤作为传感元件对血红蛋白传感进行了实验研究。通过实时监测氧化石墨烯对锥形光纤功能化过程中衰荡时间的变化，分析了功能化过程中锥形光纤表面羟基化、硅烷化和氧化石墨烯沉积对光传输损耗的影响。通过扫描电子显微镜对氧化石墨烯功能化锥形光纤效果进行检测。研究了不同浓度的氧化石墨烯功能化锥形光纤作为传感元件时对血红蛋白传感灵敏度的影响，实验结果表明：与未功能化锥形光纤相比，使用氧化石墨烯功能化锥形光纤进行血红蛋白传感，灵敏度提高了一个数量级。在功能化过程中，氧化石墨烯浓度将影响功能化后锥形光纤的传感灵敏度，且随着浓度的增加传感灵敏度增强。该研究成果有望在生物传感领域得到应用。
医用光学与生物技术 锥形光纤 氧化石墨烯 光纤环衰荡 血红蛋白 传感 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0517001
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
在活体成分无创测量中, 人体组织的漫射光谱之间存在千差万别, 即使同一组织的光谱也时刻发生着变化, 这是影响活体组织成分测量精度的重要原因。 通过漫射光谱实时监测组织的光学特性非常重要。 由于漫射光的吸光度光谱沿光源-探测器距离不再呈现线性变化, 不同距离下的测量结果不易相互借鉴, 因此不宜采用单一距离的漫反射光测量方式。 采用双光源-探测器距离的测量方式, 通过差分测量获得了组织有效衰减系数, 其与测量距离无关, 是反映组织吸收、 散射的综合光学参数。 实验系统采用中心光纤入射, 距中心0.6和2.0 mm的两个环状分布的光纤束接收漫反射光, 并据此推测出被测组织的有效衰减系数。 通过实时监测组织的有效衰减系数, 可以监测组织的状态与成分变化信息。 采用Intralipid脂肪乳作为组织仿体, 考察了其中的葡萄糖浓度、 血红蛋白浓度、 颗粒密度、 温度四个因素变化时在1 000~1 300 nm波段的有效衰减系数光谱, 比较了它们的光谱特征。 结果表明, 有效衰减系数的光谱形状主要由介质的吸收变化决定。 其中血红蛋白的有效衰减系数光谱显示出其在1 000~1 200 nm波段吸收显著, 1 200~1 300 nm吸收减弱, 这与血红蛋白的吸收特征一致; 温度的光谱显示出与温度对水吸收光谱影响的光谱形状一致; 葡萄糖与颗粒密度引起的有效衰减系数光谱相似, 原因在1 000~1 300 nm波段葡萄糖吸收较弱, 其主要影响介质散射特性。 最后测量了不同人体的手指、 手掌、 手背、 手臂外侧、 手臂内侧的有效衰减系数光谱, 比较了部位差异和个体差异。 从人体光谱差异上很明显地看到了血红蛋白、 散射特性不同引起的光谱差异。 综上, 提出的有效衰减系数光谱测量方法特别适用于活体组织的成分测量, 为实时监测组织的散射、 吸收变化提供了一条新途径。
近红外光谱 有效衰减系数 活体组织 无创成分测量 血红蛋白 血糖 温度 Near-infrared spectroscopy Effective attenuation coefficient In vivo tissue Noninvasive composition measurement Hemoglobin Blood glucose Temperature 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2746
1 新疆大学电气工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047
2 西安交通大学能源动力工程学院, 陕西 西安 710049
为提高全血血红蛋白浓度预测模型的预测精度, 基于近红外光谱分析, 首先对原始全血透射光谱数据分别进行均值中心化、 标准化、 标准正态变量变换(SNV)、 多元散射校正(MSC)以及Savitzky-Golay(SG)卷积平滑结合MSC的预处理操作, 最终选择预处理效果最好的SG-MSC方法作为数据预处理方法, 其最大相关系数达到0.944 1。 对SG平滑的平滑窗口宽度进行讨论, 找出平滑效果最好的窗口宽度为27。 数据预处理消除了全血吸收光谱的基线失真, 提高了全血吸收光谱数据的信噪比。 将190个样本(190个血红蛋白浓度对应的透射光谱数据)分为具有相近血红蛋白浓度分布的校正集和测试集, 其中校正集为143个样本(对应血红蛋白浓度分布为10.6~17.3 g·dL-1), 测试集为47个样本(对应血红蛋白浓度分布为10.3~17.3 g·dL-1), 确保建立模型的适用性。 对校正集数据预处理后利用蒙特卡洛无信息变量消除(MC-UVE)方法对其进行波长变量选择, 剔除含信息量少的波长点, 提高含信息量多的波长占比。 设置蒙特卡洛迭代次数为1 000, 最终从全血吸收光谱的700个波长变量中筛选出191个波长变量用于建立全血血红蛋白浓度偏最小二乘(PLS)回归模型。 对比分析原始全血透射光谱全谱PLS模型、 原始全血吸收光谱全谱PLS模型、 预处理全血吸收光谱全谱PLS模型、 SG-MSC-MC-UVE-PLS模型以及已有二阶导数PLS模型的模型效果, 表明基于SG-MSC-MC-UVE-PLS算法的全血血红蛋白浓度预测模型效果较其他模型效果更优, 预测相关系数由0.676 3提高到0.979 1, 预测集均方根误差由0.898 1减小到0.220 3, 最大绝对误差由2.426 1减小到0.411 2。 同时, 利用MC-UVE方法进行波长变量选择, 在保证预测精度的前提下, 筛选出建模的波长个数更少, 有利于提高模型计算效率。 研究结果表明, SG-MSC-MC-UVE-PLS方法能够提高全血吸收光谱信号的信噪比, 简化模型结构, 提高模型的预测精度和计算效率, 对推动血红蛋白浓度检测技术的发展具有进步意义。
近红外光谱 全血血红蛋白浓度预测 光谱信号预处理 无信息变量消除 Near-infrared spectroscopy Whole blood hemoglobin concentration detection Spectral signals preprocessing Uninformed variable elimination 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2754
1 北京工业大学环境与生命学部, 北京 100124
2 浙江大学医学院附属儿童医院国家儿童健康与疾病临床医学研究中心, 浙江 杭州 310003
利用共聚焦拉曼光谱技术, 对人工心脏泵不同剪切应力下受到亚损伤的红细胞进行实验研究, 验证拉曼光谱对红细胞亚损伤程度的评估能力, 为血液损伤评价提供了一种新的思路。 实验采集血红蛋白和红细胞的拉曼光谱标准谱图并进行对比分析, 以确定红细胞谱图特征峰的归属。 用血液剪切力试验平台对测试血样施加暴露时间为1 s, 大小分别为0, 50, 100, 150, 200, 250和300 pa的剪切力。 利用共聚焦拉曼仪器, 在10倍长焦物镜, 532 nm激光光源波长, 积分时间10 s, 积分次数2次, 2.5 mW功率下采集剪切应力作用后的红细胞拉曼谱图。 通过归一化的方法对比红细胞的拉曼谱图变化, 评估红细胞亚损伤的程度, 运用曲线拟合方法对特征峰和剪切应力进行拟合, 验证拉曼光谱对红细胞亚损伤的评估能力。 对比血红蛋白和红细胞的拉曼光谱标准谱图发现, 红细胞谱图能够反映血红蛋白的内部结构。 且结果表明, 拉曼光谱法可以用于区分不同剪切应力下亚损伤的红细胞, 推断剪切应力可以透过细胞膜从而影响到其内部的血红蛋白结构。 且随着剪切力的增大, 1 376 cm-1位置左侧谱线呈现明显抬高趋势, 1 549和1 604 cm-1位置的峰强增高, 1 639 cm-1位置的氧浓度标记带ν10振动谱带减弱。 其中1 549 cm-1位置的峰强为亚铁离子高自旋带, 在不同剪切力的作用下, 峰强差异表现最明显, 与剪切应力呈明显的正向线性关系, 拟合效果良好。 拉曼光谱法检测样本处理简单、 耗时短、 操作简便、 重现性好, 且可以精确的检测到细胞内部结构的细微变化, 可以评估红细胞的亚损伤程度, 弥补了传统评价溶血的方法的不足, 为人工心脏泵血液损伤评价提供了新的技术手段, 拓宽了拉曼检测方法的应用领域。
红细胞 血红蛋白 拉曼光谱 血液损伤 剪切应力 人工心脏 Red blood cell Hemoglobin Raman spectroscopy Blood injury Shear stress Artificial heart 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1811
1 广东药科大学劳动卫生与环境卫生学系, 广东 广州 510310
2 广东省医药3D打印机及个性化医疗工程技术研究中心, 广东 广州 510006
3 广东药科大学生物医学工程系, 广东 广州 510006
4 广东药科大学附属门诊部, 广东 广州 510235
5 广西医科大学生物医学工程系, 广西 南宁 530021
6 广西师范大学物理科学与技术学院, 广西 桂林 541001
为了探究健康人固体血红蛋白(hemoglobin, Hb)的紫外可见吸收光谱和傅里叶变化红外光谱的谱学特征, 将21～80岁健康人分成四个年龄阶段组, 采用葡聚糖层析法高度纯化新鲜血液红细胞内的Hb, 利用冷冻干燥法获得结构稳定的Hb固体, 测定四组样本的Hb紫外可见吸收光谱和FTIR光谱; 利用OMNIC 8.0软件的QC比较分析功能、 全光谱特征分析和二级结构分析首次归纳得出健康人Hb的紫外光谱及FTIR光谱。 分析显示样本间, 四组间Hb紫外可见吸收光谱和FTIR光谱高度相同, FTIR光谱间的匹配度高达95%; 所有样本Hb的紫外光谱均有5个特征吸收峰, 吸收峰所在位置的吸光度、 波长相同; FTIR光谱均有13个特征吸收峰, 吸收峰所在位置的吸光度、 波数是相同的; Hb紫外吸收光谱显示健康人Hb拥有相同的三级结构, FTIR光谱的特征吸收带Amide Ⅰ带二阶导数谱匹配度高达99%, 其二级结构均由11个子峰构成, 组成则以α-螺旋为主。 研究得出健康人Hb的紫外可见吸收光谱和FTIR光谱, 并通过初步分析得到Hb的光谱学特征和结构特点, 有助于研究相关疾病。
健康人 血红蛋白 紫外光谱 参照光谱 Healthy people Hemoglobin UV spectrum FTIP FTIR Standard spectrum 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1425
