變換紅外光譜分析技術(shù)在預(yù)防醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、變換紅外光譜分析技術(shù)在預(yù)防醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用    預(yù)防醫(yī)學(xué)研究的重要任務(wù)之一是通過不斷創(chuàng)建、引進(jìn)和應(yīng)用新的、先進(jìn)的技術(shù)來闡明化學(xué)、物理、生物等環(huán)境因素對機(jī)體的整體、器官、細(xì)胞、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)、核酸的多終點、多靶位、多層次、多水平的交互作用機(jī)理及可能產(chǎn)生的近、遠(yuǎn)期影響，以生物標(biāo)志物和預(yù)警體系為重點提出環(huán)境因素的限量閾值和預(yù)防措施。隨著計算機(jī)與傅里葉變換紅外光譜技術(shù)的不斷發(fā)展，其中具有指紋特性的中紅外光譜法已廣泛應(yīng)用于生物大分子和環(huán)境污染等領(lǐng)域；而近紅外光譜法因其快速、無損、多組分的同時測定而成為!+ 年匹茲堡會議上反應(yīng)強(qiáng)烈的四項新技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于食品

2、、藥品等領(lǐng)域。下面從環(huán)境污染、生命科學(xué)、應(yīng)用開發(fā)及最新紅外分析方法四方面來闡述傅里葉變換紅外光譜分析技術(shù)在預(yù)防醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。在環(huán)境污染領(lǐng)域* H F氣相色譜#傅里葉變換紅外光譜聯(lián)用技術(shù)在環(huán)境污染領(lǐng)域的主要應(yīng)用工業(yè)廢水中復(fù)雜有機(jī)污染物的分離鑒定。氣溶膠中包含的有機(jī)有害物質(zhì)的分析鑒定。工廠拋棄的化學(xué)廢物，或受工業(yè)污水、農(nóng)藥、除莠劑污染的土壤中有機(jī)污染物的分離鑒定。急性中毒事件中對未知毒物樣品的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析，為進(jìn)一步分析鑒定提供線索。香煙煙氣、衛(wèi)生香煙氣、蚊香煙霧化學(xué)成分的分離鑒定?；瘖y品中香精油揮發(fā)組分、食品中揮發(fā)組分及植物精油、藥用揮發(fā)油組分的定性、定量分析。但在環(huán)境痕量復(fù)雜有機(jī)污染物的

3、定性鑒定和定量分析方面氣紅聯(lián)用技術(shù)還受到如下幾方面的限制：的靈敏度較低低約二個數(shù)量級?？晒z索的.571%/2 增強(qiáng)型JK8 蒸氣相圖譜庫數(shù)量為張光譜，與=>?I. 的) 多萬張質(zhì)譜圖相比要少得多。對沸點為F<+L H <+L中等揮發(fā)性有機(jī)組成的鑒定有困難。圍繞光管式氣紅聯(lián)用技術(shù)靈敏度低的問題，儀器公司與分析化學(xué)家們都做了不懈的努力級，但都價格昂貴，推廣困難。而分析化學(xué)家們則進(jìn)行了如下探索：雙冷井進(jìn)樣技術(shù)：即在=>? ABC 系統(tǒng)前，設(shè)有雙冷井進(jìn)樣單元。其優(yōu)點是：可大大提高靈敏度。缺點是：操作麻煩，價格昂貴，不適于低沸點組分。預(yù)前柱技術(shù)：即在=> 進(jìn)樣室內(nèi)，裝一根

4、預(yù)前填充柱以化學(xué)方法除去大容量進(jìn)樣的全部溶劑。其優(yōu)點是：可提高靈敏度* M ! 個數(shù)量級。其缺點是：工作量大。不分流進(jìn)樣方式：其優(yōu)點是擴(kuò)大了檢測范圍。缺點是分離效果較差。頂空進(jìn)樣技術(shù)：其特點是樣品預(yù)處理簡單，可大體積進(jìn)樣，在一定程度上改善了靈敏度，適用于揮化有機(jī)組份的分離鑒定。如何應(yīng)用各種技術(shù)，可視具體情況而定。周文敏等曾采用不分流進(jìn)樣? >:! N 預(yù)柱,毛細(xì)柱=>? ABC 的方法分析了長江大冶段河水中的痕量有機(jī)污染物，經(jīng)譜庫檢索，鑒定出!- 種有機(jī)污染物，其中屬美國JK8 公布的優(yōu)先污染物占*! 種。此法比常用的=>? ABC 靈敏度提高了* H ! 個數(shù)量級，但它不能

5、用于胺類化合物的分析?？偟恼f來是互補(bǔ)的兩大分離分析技術(shù)，各有所長，的靈敏度高，同時對碳?xì)浠衔锿滴锏闹刚J(rèn)特別有效；而!"# $%& 對分子特征官能團(tuán)的鑒定和有機(jī)污染物同分異構(gòu)體的鑒定具有絕對優(yōu)勢，其靈敏度低的缺點可通過提高樣品的富集倍數(shù)來改善。因此，在實際問題中選用哪一種技術(shù)，主要由信息內(nèi)容來定。而對于環(huán)境中復(fù)雜有機(jī)污染體系的分析鑒定，常需的聯(lián)合使用。如等0利用技術(shù)，建立了一種描述個體顆粒物暴露的微量分析方法，即收集個體12 3 的氣溶膠樣品，聯(lián)合使用 技術(shù)對其中的14 種多環(huán)芳烴進(jìn)行了定性鑒定和定量分析。利用污染物中特征官能團(tuán)的特征分子振動的紅外吸收，進(jìn)行污染物的分析測定

6、，:;<8/; 等人借助于長光程氣體池及采用最小二乘法的:)$ 程序，研究了51 種常用涂料溶劑的檢出線，遠(yuǎn)低于工業(yè)衛(wèi)生臨界值%:=；>*,?AB8;C8DA 等利用可變長光程氣體池分析了汽車尾氣中的碳?xì)浠衔铮⒔?jīng)過毒理實驗建議將定為一種致癌危險物。美國環(huán)保局采用紅外分光光度法，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（&)F）采用紅外光譜法，利用油類物質(zhì)中，G+ 的伸縮振動，分別在波數(shù)1 I4J，1 I0J，0 J0J DKL 5處有特征吸收而進(jìn)行水體中總油、礦物油的分析。可將氣溶膠樣品收集在特氟隆濾材或MN+，O/); 鹽片上直接進(jìn)行無機(jī)組分的紅外光譜分析。土壤腐植酸的紅外光譜研究。在生命科學(xué)

7、領(lǐng)域5，2 P I可進(jìn)行蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的定量分析與蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的研究各種蛋白質(zhì)在$%& 譜圖上一般表現(xiàn)出I 個特征吸收帶，對蛋白質(zhì)進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)的研究主要依靠GK8Q;!，GK8Q;!帶主要在5 RJJ P 5 4JJ DKL 5區(qū)域內(nèi)，它能給出! 螺旋、"折疊及無規(guī)卷曲等多種結(jié)構(gòu)信息。對GK8Q;!帶各峰的指認(rèn)，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)儀器、使用方法的不同，所指認(rèn)的結(jié)果略有不同，)?+;C8DA 等提出的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的指認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)見表 等曾利用曲線擬合去卷積譜方法求得若干種純蛋白的二級結(jié)構(gòu)的含量，并與VH射線衍射法所得的結(jié)果作了比較，結(jié)果相當(dāng)一致。孫素琴等利用計算機(jī)輔助解析$

8、%& 光譜法研究稀土離子與鈣調(diào)蛋白的相互作用。W?X., 等人運(yùn)用 的方法研究了溫度和壓力對GKU,.8Q G（淀粉樣蛋白G）解聚作用的影響等人對牛血紅蛋白水解反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行了紅外光譜法研究。膜蛋白的研究可以定量分析細(xì)胞膜蛋白二級結(jié)構(gòu)的變化及應(yīng)用偏振 技術(shù)測定膜蛋白不同二級結(jié)構(gòu)在生物膜脂雙層中定向的改變。如孫素琴等利用顯微紅外光譜技術(shù)探討了自由基對人紅細(xì)胞膜蛋白的損傷，結(jié)果表明，自由基破壞了紅細(xì)胞膜蛋白的二級結(jié)構(gòu)而發(fā)生重構(gòu)，且不能恢復(fù)正常。$%& 光譜還用于研究一些肽，如信號肽和通道形成肽等。還可用于研究膜運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白，包括G%> 酶、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和離子通道蛋白等。如G

9、等對人的紅細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的$%& 光譜研究表明：它的二級結(jié)構(gòu)以! 螺旋為主，并且螺旋取向是垂直于膜的平面的，結(jié)合底物W 葡萄糖導(dǎo)致螺旋取向的微小變化，這表明了這種結(jié)合導(dǎo)致蛋白構(gòu)象的變化等人運(yùn)用，對一種與門控鉀離子通道蛋白相關(guān)的，人工合成的多肽進(jìn)行了構(gòu)象分析，結(jié)果表明：將其溶解在的三氟乙醇（%$Z）中，肽類主要以! 螺旋形式存在，但當(dāng)轉(zhuǎn)移到水溶液中時，它的構(gòu)象就發(fā)生了變化，主要以隨機(jī)卷曲結(jié)構(gòu)形式存在。有機(jī)溶劑%$Z 能夠促進(jìn)分子間的反應(yīng)，因此經(jīng)常作為一種誘導(dǎo)和穩(wěn)定! 螺旋結(jié)構(gòu)的溶酶。脂的紅外光譜分析應(yīng)用紅外光譜可以解決的問題是：膜磷脂分子構(gòu)型、構(gòu)象、結(jié)構(gòu)的變化、蛋白在膜磷脂構(gòu)型、構(gòu)象

10、變化中的作用，靠近蛋白處的脂的物理狀態(tài)，是否膜蛋白與脂相互作用時對脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)或物理狀態(tài)有特定的選擇性，它是否控制膜上酶的功能。如：(6".+-8. 等應(yīng)用紅外光譜研究了蛋白和脂的相互作用和膜蛋白在膜內(nèi)的排布，其中包括各種內(nèi)源蛋白如鈣酶等與模型膜的作用，還研究了天然基質(zhì)膜，確定了內(nèi)源蛋白在模型膜和天然膜內(nèi)的構(gòu)象，提供了內(nèi)源蛋白對膜脂構(gòu)象影響方面的有用信息。周群等T利用傅里葉變換顯微紅外光譜法研究了羥自由基對紅細(xì)胞膜脂損傷的作用機(jī)理，結(jié)果表明：自由基損傷后，"!" 雙鍵減少，"!F 雙鍵增加，含量改變；說明：碳?xì)滏湶伙柡投冉档?，甘油基骨架的取向發(fā)生變化，極

11、性區(qū)分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。核酸的紅外光譜分析可以應(yīng)用紅外光譜法跟蹤WG 右手螺旋和左手螺旋之間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；研究WG 和G 的金屬毒物加合物，并指認(rèn)反映這些核酸中結(jié)構(gòu)、構(gòu)像變化的紅外光譜的變化。如等應(yīng)用$%& 技術(shù)研究了離子與小牛胸腺WG 的鍵合作用，結(jié)果表明：與WG 的陰離子是以水合氫鍵形式結(jié)合。而在生理代謝系統(tǒng)中實際是以HWG的鍵合形式存在，當(dāng)"（+ "）與WG 的摩爾比為5TJ至51J時螯合在鳥嘌呤的HR上；當(dāng)與WG 的摩爾比為5：5J 至5：2 時，WG 發(fā)生縮合。另外，紅外光譜的結(jié)果還顯示都不能引起WG構(gòu)象改變的指示峰T04 DKL 5（脫氧核糖H磷酸鹽伸縮振

12、動）發(fā)生移動。細(xì)胞和組織等復(fù)雜體系的紅外光譜研究癌變細(xì)胞、癌變組織的紅外光譜分析利用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)可對正常人的組織、細(xì)胞和各種腫瘤組織、細(xì)胞進(jìn)行對比研究，從分子水平揭示細(xì)胞癌變的可能機(jī)理及推斷病程進(jìn)展各期，為腫瘤疾病的早期診斷展現(xiàn)良好的前景。如慈云祥、沈世杰等人進(jìn)行了乳腺癌變組織的 變換紅外光譜研究，彭卿等進(jìn)行了胃腸道正常組織與相應(yīng)腫瘤組織結(jié)構(gòu)的!() 光譜研究，劉金緒等進(jìn)行了關(guān)于宮頸癌變細(xì)胞紅外光譜測定方法的研究，孫素琴等進(jìn)行了肺癌細(xì)胞組織內(nèi)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的 研究。通過對各種腫瘤組織及正常細(xì)胞的紅外光譜研究發(fā)現(xiàn)：譜圖的變化主要集中在及帶，通過譜圖解析可總結(jié)出如下規(guī)律：（1）癌變細(xì)胞中

13、，糖原相對于核酸的含量大幅度下降；（4）核酸分子中磷酸二脂基團(tuán)的氫鍵結(jié)合力大為增高；（6）蛋白質(zhì)中一些氨基酸殘基上9基團(tuán)的氫鍵遭受破壞；（<）細(xì)胞膜脂中亞甲基鏈結(jié)構(gòu)和有序性發(fā)生改變。而且通過對發(fā)育分化異常細(xì)胞的光譜分析發(fā)現(xiàn)了相似的變化規(guī)律。總的來說，紅外光譜法用于癌變細(xì)胞的鑒別及病程進(jìn)展的診斷還處于數(shù)據(jù)積累階段，尚無完整的譜庫可供檢索，但我們可根據(jù)癌變細(xì)胞與正常細(xì)胞紅外譜圖的差異性，從分子水平探討致病機(jī)理，為早期阻斷提供科學(xué)依據(jù)。細(xì)菌的分類與鑒別細(xì)菌的紅外光譜表達(dá)的是其自身物質(zhì)的指紋信息，因此使用這種新技術(shù)可以研究亞種，甚至研究變種、血清族、血清型存在差異具有明顯的優(yōu)勢。通過對已測定過的

14、許多細(xì)菌的紅外光譜的比較發(fā)現(xiàn)：區(qū)分和鑒別細(xì)菌最靈敏、最有效的光譜區(qū)域是兩個區(qū)域。等通過對金黃色葡萄球菌和產(chǎn)氣夾膜梭狀芽孢桿菌的紅外光譜的比較指出二者的區(qū)別至少有./ 0 A/ 處?，F(xiàn)已有關(guān)于乳酸菌、放線菌、李斯特桿菌、鏈球菌、梭菌、軍團(tuán)菌等的!() 光譜應(yīng)用。另外，>?#2? 等人已建立了一整套關(guān)于各種細(xì)菌菌屬和菌種的紅外光譜數(shù)據(jù)庫作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)菌的分類與鑒定。D#22&$C& 等人運(yùn)用!() 的方法建立了一整套酵母的標(biāo)準(zhǔn)化的樣品制備方法，基于664 個已鑒定的酵母菌種，建立了光譜數(shù)據(jù)庫。D ;"E 等人用!() 的方法，建立了對于細(xì)菌細(xì)胞中的無損定性分析方法。

15、等人利用紅外對發(fā)酵過程中大腸桿菌表達(dá)的異種蛋白進(jìn)行了定量分析。在應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域1/，11可利用近紅外光譜分析技術(shù)進(jìn)行食品、化妝品、保健藥品的原位無損的定性鑒定和多組分的同時定量分析。下面以表格方式來歸納近紅外光譜分析技術(shù)在食品、化妝品、保健藥品方面的應(yīng)用，見表4。應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)進(jìn)行定性鑒定一般采用峰位鑒別、模式識別（即聚類分析）、指紋鑒別和數(shù)據(jù)庫鑒別等四種鑒別方法。而運(yùn)用近紅外光譜分析技術(shù)進(jìn)行定量分析，其關(guān)鍵是建立預(yù)測效果優(yōu)秀的數(shù)學(xué)模型。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)已成功地研制了近紅外遠(yuǎn)程分析的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配有近紅外分析的各種軟件并具有建立與優(yōu)化近紅外分析數(shù)學(xué)模型的能力。在食品領(lǐng)域：應(yīng)用近紅外光

16、譜分析技術(shù)分析食品中的蛋白質(zhì)、水分、含油量、脂肪、纖維素、淀粉等化學(xué)成分在國外已是非常成功的技術(shù)，1-5A 年就已經(jīng)有了相關(guān)的專著，1-4 年的近紅外分析手冊上的第R，5，1A 章均是關(guān)于近紅外光譜分析技術(shù)在食品中的具體應(yīng)用。同時，該技術(shù)已為食品工業(yè)管制所廣泛應(yīng)用，許多實驗方案和計算方法已成為標(biāo)準(zhǔn)方法，舉例而言，采用近紅外光譜法分析干蔬菜中水的含量已成為的標(biāo)準(zhǔn)方法（64/<6 0 64/<A）；而采用近紅外光譜法快速測量葡萄酒中乙醇的含量也已成為飲料工業(yè)中的品管方法之一。另外，用近紅外光譜法分析各種小麥中的蛋白質(zhì)已成為標(biāo)準(zhǔn)方法（）；用近紅外光譜法分析各種小麥及面粉中的水份、蛋白質(zhì)也

17、已成為的推薦方法（>$=4/4）。在藥品分析領(lǐng)域：自1-/ 年以來因儀器廠商與藥物分析專家的通力合作，已促使美國食品藥物管理局（!"#）、歐洲和加拿大藥物局正式用近紅外光譜分析技術(shù)取代繁瑣費(fèi)時的品管分析方法的可行性，部分測試項目已被!"# 批準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)方法。美國也著手討論制定標(biāo)準(zhǔn)的近紅外分析方法。清華大學(xué)分析中心、中國藥科大學(xué)分析計算中心已大量地應(yīng)用近紅外定量技術(shù)研究中成藥的主成分，并建立了相應(yīng)的定量分析數(shù)學(xué)模型。如劉荔荔采用近紅外漫反射光譜法，運(yùn)用偏最小二乘法，定量測定了西洋參中摻入人參的量，數(shù)學(xué)模型的校正標(biāo)準(zhǔn)差%45 為6789:，決定系數(shù)為=7=9，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差%4

18、& 為67<>=；方法的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為平均回收率在化妝品及洗滌劑方面：為提高分析速度，減少浪費(fèi)，國外一些大的企業(yè)正積極探索近紅外在化妝品質(zhì)和洗滌劑質(zhì)管分析中的應(yīng)用。對原料、香料、油脂混合物及混合均勻度進(jìn)行分析，同時定性分析可鑒定商品的真?zhèn)?。盡管近紅外光譜分析技術(shù)有其獨特的優(yōu)勢，但同時也存在局限性即：有機(jī)成分分析檢測限比較低。無機(jī)成分的分析比較困難。最新!DE; 分析方法光譜法定量分析微生物二元混合體系的組成等人首次應(yīng)用!DE; 光譜法分別定量分析了與食品有關(guān)的兩種酵母混合體系和兩種乳酸菌混合體系，作者采用偏最小二乘法&I%，綜合考察光譜范圍內(nèi)光譜的變化信息與相應(yīng)細(xì)菌細(xì)胞數(shù)量間的相關(guān)關(guān)系，建立相應(yīng)的定量模型。研究結(jié)果表明：在=9的置信水平下，酵母混合體系定量分析結(jié)果的相對誤差小于C，乳酸菌混合體系定量分析結(jié)果的相對誤差小于?>。而常規(guī)平板定量方