激光诱导击穿光谱在医学领域的应用进展

杨引君，何万庆，柳永明，孙对兄

（1.甘肃中医药大学中医临床学院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省中医院脊柱骨科，甘肃 兰州 730000；3.西北师范大学物理与电子工程学院，甘肃 兰州 730000）

0 引言

激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）是由激光器产生一束高能脉冲经聚焦透镜聚焦后作用于样品靶表面，靶表面聚焦处温度迅速上升，使得靶表面迅速向外喷射大量的熔融粒子，熔融粒子通过对激光能量的吸收和自身的碰撞被进一步的分解、电离形成激光等离子体，然后利用光学系统对等离子体进行收光，探测器记录光谱，最终在PC端对光谱信息进行提取记录波长和强度进行分析的一种分析技术，它具有快速、便捷、远程、微损、样品制备简单及多元素快速分析等优势[1-2]。随着这项技术的逐步完善成熟，已经从一种简单的元素分析技术转变为一种可应用的技术[3]，在考古、地质土壤、食品安全、液体监测、法医鉴定、生物医学等诸多领域被广泛应用。夏志林、孔令昊[4]等通过紫外光照凝胶固化-纳米颗粒增强LIBS检测强酸性液体，测得其中Cu2+、Ni2+和Zn2+三种离子的检出限分别为1.489、1.512和4.886mg/L，绘制标准曲线线性良好，表示该技术对强酸性废水中重金属分析具有良好的准确性和稳定性。张超、朱林[5]等采用便携式LIBS装置，检测河道沉积物中的Zn元素，结合等离子体特征的标准化方法减少光谱波动，并用BPNN算法对沉积物中的Zn元素的浓度进行预测，同时于2019年3月现场试验，将预测结果与实验室原子吸收分光光度法（AAS）检测结果比对，两者所测浓度具有良好的一致性，平均误差为8.3%。Christopher[6]等基于手持LIBS对金伯利岩地幔捕虏体的锯切岩心表面快速定性，利用其对低原子序数元素（如Li和Na）微尺度分布的敏感性，绘制出交代矿物的细脉和颗粒边界。

1 技术原理

LIBS技术是一种实时快速的光谱探测技术，对固体、液体、气体等诸多样品都可以做出有效检测。其原理主要为由一束高能量激光脉冲作用于样品表面，样品表面吸收激光能量形成呈现电中性的等离子体，此时处于激发态的原子、离子等将从高能级跃迁到低能级，并发射携带样品中元素信息的连续光谱，分析其特征谱线的波长和强度，即可获得样品中元素的种类和含量信息，从而实现对样品中待测元素的定性和定量的分析[7]。需注意由于样品环境发生变化，故采集结果会相应出现轻微差异，在后期分析过程中可对所有数据进行归一化处理及PAC降维以减少误差。

其装置可简述为由激光器发出一束高能激光，经反射镜反射，聚焦透镜聚焦至样品表面，在样品表面产生等离子体，由收光透镜对等离子体发光进行收集，经光纤传输到光谱仪进行分光， ICCD进行探测，最后由电脑对光谱信息进行提取。激光器多选基频为1064nm的Dd:YAG脉冲激光器，重复频率及输出激光能量依据不同需要而调节。

图1 L IBS装置示意图

2 医学领域的应用

LIBS作为一种新兴的光谱探测技术，在医学领域应用越来越广泛，阅读大量文献，其应用目前主要集中于组织、骨骼、血液及药物四个方面。

2.1 组织方面

皮肤是人体最大的器官，从解剖学角度可以解释为是由表皮（复层扁平上皮）与真皮（结缔组织）两层结构组成并披覆在人体表层，直接与外界环境相接触的组织。中医认为，皮属“五体”之一，具有卫外以防御外邪，开阖以调节呼吸及代谢的作用。外界因素的作用常可引起皮肤组织的异常改变，同时伴随相应元素的变化，通过LIBS技术对皮肤样品进行定性定量分析以鉴别诊断或探查某项元素的含量变化，是当前比较常见的一种医学应用手段。如祝铭、陈秉灵[8]等采用LIBS技术对四组病例的皮内组织和真皮组织的Ca元素和Na元素定量检测并建立数学模型，发现LIBS对两种组织的区分成功率可达97.5%。K amili Asma[9]等通过LIBS对单峰骆驼皮肤中的锌元素含量进行测定，发现皮肤中Zn的含量在115±60（外侧）和(94±82)ppm（内侧）之间，且其含量由外到内依次降低，为健康骆驼与患皮肤病骆驼皮肤中锌营养水平的鉴别提供的新方法。

恶性肿瘤的诊断与治疗仍是目前医学领域的难点与重点，尤其是恶性肿瘤的早期发现与诊断对于治疗有着至关重要的作用。其致病原理可简述为机体细胞因受到某些因素影响，发生异常增生与分化，严重破坏正常的组织与器官。由于增生分化后的新组织生长不受正常机体生理调节，一旦形成，便不会因病因消除而停止增长。所以对于恶性肿瘤的发现越早则越容易治愈。当前对于肿瘤的诊断除症状及体征以外，最常用的是血清学（酶学、糖蛋白、酶相关抗原等）检查、影像学（X线、CT、MRI）以及超声检查等。但这类检查对于癌的早期诊断并不典型，转录组学和蛋白质组学的发展，对肿瘤的诊断虽优，但耗时且昂贵，此时，病理组织学检查恰可以提供另外一种手段。利用LIBS技术对采集到的恶性组织进行元素检测，可以明确提示元素的异常变化。杨思博[10]基于LIBS技术对乳腺癌组织中的K、Ca、Na、Mg四种元素定性定量，得到关于这四类元素的LIBS光谱及分布图像，经聚类分析后建立了乳腺癌的判别诊断模型，实现了癌细胞团的可视化。王静[11]等采用LIBS技术，结合主成分分析（PCA）和支持向量机（SVM）对正常组织和宫颈癌组织中微量元素的含量进行测定，发现癌变组织中的Na、Mg、K三种元素的归一化峰强度明显高于正常组织，而正常组织中Ca的归一化峰强度高于宫颈癌组织，为利用LIBS技术诊断肿瘤组织提供了初步研究基础。

2.2 骨骼与牙齿

骨者，为干，髓之府也，为肾所主，精血所养。具有支持形体、保护内脏器官，藏髓生血以及运动的功能。从现代医学角度来看，骨骼是一种代谢活跃的结缔组织，是一种由有机材料和无机材料组成的复合材料，其中60%为无机成分，主要由钙盐和磷酸盐组成[12]。所以，除了上述功能，骨骼还具有储藏矿物质与生长因子、调节矿物质和酸碱稳态的作用[13]。特别是钙元素的存在，使得骨代谢与维持钙稳态密切相关[14]。中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病学会在《原发性OP诊疗指南（2017）》中将人一生的骨骼生长发育分为三期：Ⅰ期为骨骼生长发育期（约20岁之前，即成年前），该阶段机体钙摄入量超过排出量，处于正钙平衡，骨量持续增长（骨形成大于吸收）；Ⅱ期为成年期（20～40岁），人体骨骼生长发育至顶峰，钙摄入与排出大致相当，代谢零平衡，骨量维持于峰值（骨形成与吸收相当）；之后伴随年龄上升，机体对于钙元素的吸收和摄入量均减少，且吸收大于形成，钙排出增加，形成慢性负钙平衡，骨量丢失，此为Ⅲ期[15]。对于骨骼发生的疾病，《素问·痿论》提出：“是人者，素肾气胜，以水为事，生于骨，肾气不生，则髓不能满，故寒盛至骨也。”从中医角度论述，骨病当分虚实，实者寒、湿、瘀停滞于肌肉筋骨，不通则痛；虚者年老体衰，肾精亏虚，脾阳不足，四肢百骸失养，不荣则痛[16]。故当骨骼系统发生疾病时，无论虚实，均会引起自身元素的改变，通过光谱技术对骨骼元素的定性定量分析，将成为研究骨骼疾病的新手段。但目前利用LIBS对骨骼医学方面的应用较少见。Alicia[12]等采用无校准LIBS（CF-LIBS）方法对野猪肋骨中的元素定性、定量分析，将光谱范围从UV-NIR扩大到VUV区域获得SB图线，通过计算得到样品的Ca、P，从而对野猪肋骨中的羟基磷灰石作出相应描述。Alicia Marín Roldán[17]等利用CF-LIBS结合神经网络（NN）对不同个体的野生鹿骨骼进行了识别和重组，为利用骨骼元素组成来提供足够信息以正确辨别不同个体提供了可能，为法医学及考古学研究提供了更多手段与方法。

牙齿作为人体用来咀嚼食物的重要工具，不同于骨骼，其组成由牙釉质、牙骨质、牙本质和牙髓腔组成，其中无机质占据主要成分。目前LIBS技术在牙科方面的应用广泛，大部分并非精确的定量测量，而是用于识别和分类，比如对龋齿的鉴别等。Trisnawati、Krisandi[18]等基于LIBS的主成分分析（PCA）算法，对数据线性基线校正、面积归一化等预处理后，清晰地对人体牙齿表面的部分进行了聚类和区分，得出牙本质表面具有最高的均一性的结论。HSuyanto[19]等利用LIBS技术在55 mL/s的氦气中对人体牙本质和牙釉质中的元素定性测量，发现印尼人的牙齿元素组成包括Ca、F、Si、Zn、Na、Sn、Ar等诸多元素。Asmaa N. Ahmed[20]等利用LIBS、SEM与EDS对不同样本的智齿结构和光学特性进行研究分析，发现女性牙齿间Ca、K、Mg、Na、Sr的比值变化较大，并且，Sr和Mg的含量也在随着年龄的增加而增加。

2.3 血液及其他液体

当前，利用LIBS技术在液体元素的检测中应用十分广泛，叶松、陶玉恒[21]等基于超疏水效应结合LIBS对水中铅元素做了快速检测；R ipoll L[22]等首次研究了基于薄膜微萃取结合LIBS对水中Cu、Cr、Ni和Pb等痕量元素进行了定性定量检测。但其在人体血液及其他液体的应用仍相对少见。

正常人体组成中约有70%为水分，而组成人体的这部分由水及溶解在其中的无机盐、有机质构成的液体即为体液，分为细胞内液和细胞外液，其中血浆和组织间液则属于细胞外液。当人体发生疾病时，通常会引起血液及其他相关液体(如脑脊液、关节液、消化液等)的异常表现。通过利用LIBS技术对相应液体中的元素浓度变化进行检测，可为临床诊断及治疗提供更多途径及建议。N oureddine Melikechi[23]等通过利用LIBS结合线性判别分析(LDA)和随机森林分类技术，对转基因卵巢癌小鼠和野生型对照小鼠的血浆标本进行分类和区分，结果提示LIBS和多变量分析可能是一种检测卵巢癌的新方法。Alsharnoubi J,Nassef Y[24]等采用LIBS技术对地中海贫 血患者的血清中铁、钙、锌、铜元素水平变化进行检测，发现地中海贫血患者血清中铁水平明显升高。张瑶[25]基于血清LIBS技术对153例不同分期的淋巴瘤患者的血清样本绘制光谱，与正常人对比，获得淋巴瘤诊断、分期、分型的最高正确率为95.1%、100%、96.4%，为淋巴瘤的快速鉴别诊断提供了一种新可能。

2.4 中药材及其他药品

中药是我国医学文化的瑰宝，是在现代医学传入中国前医治疾病之根本。《神农本草经》是我国现存最早的一部药物学专著，将中药分为上、中、下三品，提出：“上药，主养命以应天，无毒，多服久服不伤人”“中药，主养性以应人，无毒有毒，斟酌其宜”“下药，主治病以应地，多毒，不可久服”。另外，中药还当分寒、热、温、凉四性，酸、苦、甘、辛、咸五味，依医家正确辨证而组方施治。由于当前中药材市场的火热，个别商家着眼于眼前利益，对其所植的中药材使用非正常手段种植，致重金属元素超标、品质残差；此外，部分同一药物的不同部位，其药效也可有明显不同，比如麻黄茎，具有发汗解表、利水消肿之功效，而麻黄根相反，具有固表止汗之效，一者为宣，一者为涩。目前LIBS在药学方面的应用主要在于对中药材品质的鉴别、同一药株不同部位药性的判定及重金属含量的检测（药物毒性）。郑培超、郑爽[26]等采用随机森林分类模型结合LIBS对5个等级的石斛样品建模，测得平均识别率为96.46%，提示LIBS为快速鉴别石斛等级与分类具有可行性。F idaF.Al Adel[27]等采用LIBS和X射线光电子能谱（XPS）对肉桂的元素组成进行分析，得出肉桂含有Na、K、Fe、Cd、Mg、Mn、Ni、Ba、Si、Ca、O、K等诸多元素，其中K的存在解释了其在利尿治疗高血压时的药用作用。傅院霞、唐永强[28]等利用LIBS对茯苓、当归、鸡血藤和佛手四种药物检测分析，四者均含有微量元素Fe，茯苓和佛手鸡血藤均含有Ca元素和Na元素，佛手、当归及鸡血藤均含有Cu元素。此外，LIBS对于保健药物中所含元素的定性定量分析也较为广泛。比如Sobia Nisar、Ghulam Dastgeer[29]等利用LIBS技术对钙片中存在的元素进行了检测，并将Ca、Mg、Fe、Zn等元素所测近似量与规定量比对发现结果完全一致。

3 结论及展望

骨质疏松症是一类临床常见的骨科疾病，以骨骼骨量减少，密度降低，组织微结构损坏，脆性增加为特征。而疏松的骨质因受到轻微的应力发生骨折，一直是老年人致残乃至致死的主要原因之一。如果有一种方法可以对危险人群进行早期筛查识别并给予适当治疗即可有效降低骨折风险。然而对于骨骼完整性的维持需要重复经历一个叫做“骨重建”的过程，包括破骨细胞骨吸收过程及成骨细胞骨形成过程。骨质疏松的发生多是由于体内激素分泌异常，刺激破骨细胞而抑制成骨细胞，骨吸收/骨形成比值升高，导致成骨细胞主导的羟基磷灰石沉积矿化减弱，最终骨骼脆性增加[30]。当前对于骨质疏松的治疗除改善生活方式、给予抗骨质疏松药物外，钙剂与维生素D是调节骨健康的基本补充剂之一。然目前上市的钙片中钙含量各不相同，且各患者骨质疏松情况不一，利用LIBS技术对骨质疏松患者的骨质与正常人骨质中的矿物元素定性定量分析，对于更好地指导用药，有效改善骨质疏松症大有裨益。

腰椎间盘突出是影响诸多患者正常生活的常见病之一，常引起患者腰腿痛及下肢坐骨神经放射症状。对于其发病机制，椎间盘退行性变学说认为，当椎间盘发生退行性改变时，主要表现为早期髓核及纤维环水分降低，蛋白聚糖流失，后期则因髓核及纤维环水分丢失严重逐渐失去弹性及膨胀功能，在外力因素下，致椎间盘萎缩及弹性下降，髓核突出[31]。将LIBS技术应用于退变的椎间盘，对于评价其退变程度及诊断，可以提供有效助力。另外，腰椎结核、布氏杆菌性脊柱炎、风湿性关节炎等骨科感染性疾病来说，基于LIBS技术在微生物学方面的广泛应用，必将提供另一大助力。饶刚福、黄林[32]等采用LIBS技术结合主成分分析法与随机森林主成分分析法，鉴别了10种微生物样品种类，结果发现预测集总准确率与训练集总准确率均在96%以上，提示对LIBS光谱合理地预处理并构建合适模型，对微生物种类的快速鉴别即具有可行性。骨科学作为整个医学体系中不可或缺的一部分，由于骨骼的特殊性，LIBS技术的应用在日后必然会大放异彩。

中药材不仅是我国瑰宝，中成药的发展也成为当前中医学及药学领域的一大成就。这是一类采用传统中药材作为原料，在中医药理论指导下，依据特定处方和制剂工艺而制成的中药制剂，为达到预防及治疗疾病的目的。相较于传统中医的中药汤剂，具有服用、携带、储存方便的特点，对于相关疾病的疗效也是有喜人的表现。杜仲腰痛丸作为深受患者欢迎的一味中成药，由岷当归、胶木、大牛膝、明没药、土元等共17味中药组成[33]，在治疗腰椎间盘突出引起的腰腿痛方面具有明显疗效；透骨血竭散作为一剂广泛用于治疗关节炎、滑 膜炎的中成药，联合来氟米特片对活动期类风湿关节炎患者疗效显著[34]。如利用LIBS技术用于对中成药所含元素的测定，不仅可以判定重金属含量，更可以对药物元素组成定性定量分析，与由疾病引起的机体元素变化相比对，将可以为解释药物疗效及作用机制提供一种新角度。

当然，依据LIBS对固体、液体及气体均可检测的优势，将LIBS技术更广泛地应用于机体尿液、唾液、消化液及脓性分泌物等的检测，也必将为内科疾病的诊疗提供新手段。医学发展无穷无尽，唯有不断的一次次尝试与创新，才会一步步推动其进步，LIBS技术作为一种新型的原子发射光谱分析技术，相信未来在医学领域的应用定会更加广泛。