拉曼光谱在细胞研究中的应用

[摘 要] 拉曼光谱是一种简便灵敏的光谱分析新技术，近年来在细胞的结构、功能等方面的研究取得了迅速发展。文章从近几年来国内外的研究情况，分类对拉曼光谱在细胞研究中的应用加以了阐述。
　　[关键词]细胞；拉曼光谱；应用
　　[作者简介]岳粮跃（1972-），男，广西医科大学物理学教研室讲师。
　　
　　拉曼光谱是一种简便灵敏的光谱分析新技术，近年来在细胞的结构、功能等方面的研究取得了迅速发展。拉曼光谱即拉曼散射光谱，这种散射不包括能级间的直接跃迁。处于振动基态的分子，吸收了入射光子的能量 ，跃迁到一个假设的激发态 ，这激发态事实上并不存在于散射物质的分子中。当分子从这假设的激发态跃迁到振动的激发态时，放出能量 ，产生斯托克斯线。同样处于激发态的分子吸收入射的光子，跃迁到假设的激发态 ，当分子从这假设的激发态跃迁到振动的基态时，放出的能量为 ，产生反斯托克斯线。当分子从振动基态 （或激发态 ）被入射光激发到能级为 （ ）的虚态，然后回到振动基态 （或激发态 ），放出能量 ，产生瑞利线。斯托克斯线和反斯托克斯线通常称为拉曼线，其频率通常表示为 ， 是拉曼线与瑞利线频差，称为拉曼频移。通常拉曼实验检测的主要是斯托克斯散射。拉曼频移、拉曼强度及线宽反映的是拉曼样品池中散射物质的特性，与物质分子的振动和转动有关。从特征拉曼频率可以确定分子中的原子团和化学键的存在，而物质化学环境的变化则会引起拉曼特征频率的微小位移，从特征频率位移的大小和方向能判定原子团和化学键所处化学环境的变化。因而激光拉曼光谱提供了一种从分子水平研究细胞的方法。下面根据近几年来国内外的研究情况对细胞的拉曼光谱研究从几个方面进行阐述。
　　
　　一、人体正常组织与病变组织差异的拉曼光谱研究
　　
　　正常组织和病变组织的研究是医学研究的一个重要课题，现代医学病灶诊断中的影像手段虽然有四大类，但影像手段只是一种辅助手段，有赖于个人经验；现行常规组织病理学诊断是依据活检样品的显微形态学差异，这种方法不能检测组织细胞的生化异常，另外，组织学方法不能准确判断疾病变化的程度。拉曼光谱对分子的结构、构象及所处的环境很敏感，已用于研究各种人体细胞， 特别是在肿瘤细胞方面的研究较多。在细胞恶变过程中，细胞内物质的结构、构象和数量发生了明显变化，然而在肿瘤发生的早期阶段，这些变化尚不能被医学影像学检查发现。而拉曼光谱具有敏感探测物质组分变化的特点，可用于肿瘤的早期检测。一些学者用拉曼光谱分析技术对人体多部位的肿瘤进行了有益的探索，对多个系统肿瘤的拉曼光谱分析表明，拉曼光谱能鉴别正常组织、良性病变、癌前病变和恶性肿瘤，因此，拉曼光谱技术的发展为研究肿瘤发生、发展的不同病变阶段提供了可能性，这些生化指标的变化反映到相应拉曼光谱的变化可能作为肿瘤早期诊断、肿瘤预防和肿瘤治疗的可靠指标，为临床应用奠定了基础。
　　
　　二、细胞经不同处理后或在不同条件下生理变化的拉曼光谱研究
　　
　　生物细胞由包含在细胞膜内的有机物、无机物和生物化学物质的复杂混合体组成，包括核酸、蛋白质、多糖和液体。活细胞内生物分子的组成和结构可能随生理状态的改变而改变，外部因素促使活细胞内信息变化对理解各种细胞过程是十分重要的；拉曼光谱为这种变化的研究提供了很好的手段。有实验研究表明，当细胞被高能质子和γ射线照射，被直流电作用相当时间后，用一定浓度酒精作用后，被冻存后，或在它们之中加入药物，以及对它们进行加热、改变PH值或加入酶激活剂等物理或化学处理后，其拉曼光谱均有明显的改变。从细胞的拉曼光谱可以得知发生变化的基团，相互作用的位置与模式等，从而能够从分子水平较深入地研究它们的构象变化和相互作用的过程，这有助于我们探讨某些药物治疗疾病的机理、搞清各种物理、化学因素对生物大分子的影响与原因，并进一步为某些重要理论的发现提供可靠的依据。
　　
　　三、对不同细胞特征拉曼光谱的研究
　　
　　拉曼光谱反映拉曼样品池中散射物质的特性，与激光的频率和激光的强度无关；不同细胞其拉曼光谱在特征峰有着明显的区别，有人对不同物种红细胞作过拉曼光谱的比较研究，发现不同物种的红细胞均有各自的拉曼特征谱线。细胞特征拉曼谱线的研究十分有意义，它可以成为细胞的“指纹”，可以用来作为不同生物细胞鉴定的特征标记。
　　
　　四、细胞内成分的拉曼光谱研究
　　
　　拉曼光谱特征峰位置、强度和线宽提供分子振动、转动方面的信息，据此可以反映出分子中不同的化学键或官能团，因此拉曼光谱成为研究物质分子结构的有效手段。拉曼光谱已成为探测生物材料中的大分子如DNA、RNA、蛋白质、脂类、碳水化合物等的结构的有力手段。生物大分子的拉曼光谱可以使我们得到许多结构方面的信息，有DNA有序结构的类型以及DNA、RNA的磷酸骨架、核糖或脱氧核糖和碱基的信息，各种构型的碳水化合物，不同状态的膜蛋白和类脂的结构等信息。从蛋白质的拉曼光谱不但能够得到有关它的芳香族组成氨基酸的信息，还能进一步得到二级结构的信息；不但能够得知它的主链构象，还可得知它侧链构象，以及二者存在的形式；还可以研究构象的变化，对于残基内氢键的变化也能提供一些信息。在对染色质、病毒的结构的描述中也有许多独到之处。在此基础上展开的结构与功能关系的研究，由于拉曼光谱的使用而获得更加准确和全面的结果。
　　综上所述，拉曼光谱无疑是研究细胞的一个有力工具。拉曼光谱的研究方法也在不断完善，如由于拉曼散射的强度较弱，同时为了克服对活生物样品进行拉曼散射研究时强大的荧光及瑞利散射干扰，近几年来又发展了傅里叶变换拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、超拉曼光谱、共振拉曼光谱、时间分辨拉曼光谱等新技术等，拉曼光谱在生物细胞研究中的作用正在与日俱增。在这里必须提及一下一个新的拉曼光谱组合系统——激光光镊拉曼光谱系统(LTRS)，它是近三年多来出现的一种集激光拉曼光谱及激光光镊于一体的拉曼光谱研究系统，它很好地解决了单个活细胞的捕捉及拉曼光谱的获得，为单个活细胞的研究提供了一个极好的平台。使用该系统本人已进行了多种活细胞的拉曼光谱研究，得出了一些有意义的结果，其中两篇相关文章即将在核心刊物发表。
　　
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