變換紅外光譜分析技術在預防醫(yī)學領域的應用

1、變換紅外光譜分析技術在預防醫(yī)學領域的應用    預防醫(yī)學研究的重要任務之一是通過不斷創(chuàng)建、引進和應用新的、先進的技術來闡明化學、物理、生物等環(huán)境因素對機體的整體、器官、細胞、亞細胞結構、蛋白質、核酸的多終點、多靶位、多層次、多水平的交互作用機理及可能產生的近、遠期影響，以生物標志物和預警體系為重點提出環(huán)境因素的限量閾值和預防措施。隨著計算機與傅里葉變換紅外光譜技術的不斷發(fā)展，其中具有指紋特性的中紅外光譜法已廣泛應用于生物大分子和環(huán)境污染等領域；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強烈的四項新技術之一，廣泛應用于食品

2、、藥品等領域。下面從環(huán)境污染、生命科學、應用開發(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在預防醫(yī)學領域的應用。在環(huán)境污染領域* H F氣相色譜#傅里葉變換紅外光譜聯(lián)用技術在環(huán)境污染領域的主要應用工業(yè)廢水中復雜有機污染物的分離鑒定。氣溶膠中包含的有機有害物質的分析鑒定。工廠拋棄的化學廢物，或受工業(yè)污水、農藥、除莠劑污染的土壤中有機污染物的分離鑒定。急性中毒事件中對未知毒物樣品的組成和結構進行剖析，為進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)境痕量復雜有機污染物的

3、定性鑒定和定量分析方面氣紅聯(lián)用技術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 增強型JK8 蒸氣相圖譜庫數(shù)量為張光譜，與=>?I. 的) 多萬張質譜圖相比要少得多。對沸點為F<+L H <+L中等揮發(fā)性有機組成的鑒定有困難。圍繞光管式氣紅聯(lián)用技術靈敏度低的問題，儀器公司與分析化學家們都做了不懈的努力級，但都價格昂貴，推廣困難。而分析化學家們則進行了如下探索：雙冷井進樣技術：即在=>? ABC 系統(tǒng)前，設有雙冷井進樣單元。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。預前柱技術：即在=> 進樣室內，裝一根

4、預前填充柱以化學方法除去大容量進樣的全部溶劑。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。不分流進樣方式：其優(yōu)點是擴大了檢測范圍。缺點是分離效果較差。頂空進樣技術：其特點是樣品預處理簡單，可大體積進樣，在一定程度上改善了靈敏度，適用于揮化有機組份的分離鑒定。如何應用各種技術，可視具體情況而定。周文敏等曾采用不分流進樣? >:! N 預柱,毛細柱=>? ABC 的方法分析了長江大冶段河水中的痕量有機污染物，經譜庫檢索，鑒定出!- 種有機污染物，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來是互補的兩大分離分析技術，各有所長，的靈敏度高，同時對碳氫化合物同系物的指認特別有效；而!"# $%& 對分子特征官能團的鑒定和有機污染物同分異構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，主要由信息內容來定。而對于環(huán)境中復雜有機污染體系的分析鑒定，常需的聯(lián)合使用。如等0利用技術，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 技術對其中的14 種多環(huán)芳烴進行了定性鑒定和定量分析。利用污染物中特征官能團的特征分子振動的紅外吸收，進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氫化合物，并經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，國際標準化組織（&)F）采用紅外光譜法，利用油類物質中，G+ 的伸縮振動，分別在波數(shù)1 I4J，1 I0J，0 J0J DKL 5處有特征吸收而進行水體中總油、礦物油的分析?？蓪馊苣z樣品收集在特氟隆濾材或MN+，O/); 鹽片上直接進行無機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

7、領域5，2 P I可進行蛋白質二級結構的定量分析與蛋白質構象變化的研究各種蛋白質在$%& 譜圖上一般表現(xiàn)出I 個特征吸收帶，對蛋白質進行二級結構的研究主要依靠GK8Q;!，GK8Q;!帶主要在5 RJJ P 5 4JJ DKL 5區(qū)域內，它能給出! 螺旋、"折疊及無規(guī)卷曲等多種結構信息。對GK8Q;!帶各峰的指認，目前尚無統(tǒng)一的標準，根據儀器、使用方法的不同，所指認的結果略有不同，)?+;C8DA 等提出的蛋白質二級結構的指認標準見表 等曾利用曲線擬合去卷積譜方法求得若干種純蛋白的二級結構的含量，并與VH射線衍射法所得的結果作了比較，結果相當一致。孫素琴等利用計算機輔助解析$

8、%& 光譜法研究稀土離子與鈣調蛋白的相互作用。W?X., 等人運用 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的反應進程進行了紅外光譜法研究。膜蛋白的研究可以定量分析細胞膜蛋白二級結構的變化及應用偏振 技術測定膜蛋白不同二級結構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探討了自由基對人紅細胞膜蛋白的損傷，結果表明，自由基破壞了紅細胞膜蛋白的二級結構而發(fā)生重構，且不能恢復正常。$%& 光譜還用于研究一些肽，如信號肽和通道形成肽等。還可用于研究膜運轉蛋白，包括G%> 酶、葡萄糖轉運蛋白和離子通道蛋白等。如G

9、等對人的紅細胞葡萄糖轉運蛋白的$%& 光譜研究表明：它的二級結構以! 螺旋為主，并且螺旋取向是垂直于膜的平面的，結合底物W 葡萄糖導致螺旋取向的微小變化，這表明了這種結合導致蛋白構象的變化等人運用，對一種與門控鉀離子通道蛋白相關的，人工合成的多肽進行了構象分析，結果表明：將其溶解在的三氟乙醇（%$Z）中，肽類主要以! 螺旋形式存在，但當轉移到水溶液中時，它的構象就發(fā)生了變化，主要以隨機卷曲結構形式存在。有機溶劑%$Z 能夠促進分子間的反應，因此經常作為一種誘導和穩(wěn)定! 螺旋結構的溶酶。脂的紅外光譜分析應用紅外光譜可以解決的問題是：膜磷脂分子構型、構象、結構的變化、蛋白在膜磷脂構型、構象

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結構或物理狀態(tài)有特定的選擇性，它是否控制膜上酶的功能。如：(6".+-8. 等應用紅外光譜研究了蛋白和脂的相互作用和膜蛋白在膜內的排布，其中包括各種內源蛋白如鈣酶等與模型膜的作用，還研究了天然基質膜，確定了內源蛋白在模型膜和天然膜內的構象，提供了內源蛋白對膜脂構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胞膜脂損傷的作用機理，結果表明：自由基損傷后，"!" 雙鍵減少，"!F 雙鍵增加，含量改變；說明：碳氫鏈不飽和度降低，甘油基骨架的取向發(fā)生變化，極

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

12、動）發(fā)生移動。細胞和組織等復雜體系的紅外光譜研究癌變細胞、癌變組織的紅外光譜分析利用傅里葉變換紅外光譜技術可對正常人的組織、細胞和各種腫瘤組織、細胞進行對比研究，從分子水平揭示細胞癌變的可能機理及推斷病程進展各期，為腫瘤疾病的早期診斷展現(xiàn)良好的前景。如慈云祥、沈世杰等人進行了乳腺癌變組織的 變換紅外光譜研究，彭卿等進行了胃腸道正常組織與相應腫瘤組織結構的!() 光譜研究，劉金緒等進行了關于宮頸癌變細胞紅外光譜測定方法的研究，孫素琴等進行了肺癌細胞組織內蛋白質二級結構的 研究。通過對各種腫瘤組織及正常細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出如下規(guī)律：（1）癌變細胞中

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的氫鍵結合力大為增高；（6）蛋白質中一些氨基酸殘基上9基團的氫鍵遭受破壞；（<）細胞膜脂中亞甲基鏈結構和有序性發(fā)生改變。而且通過對發(fā)育分化異常細胞的光譜分析發(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胞的鑒別及病程進展的診斷還處于數(shù)據積累階段，尚無完整的譜庫可供檢索，但我們可根據癌變細胞與正常細胞紅外譜圖的差異性，從分子水平探討致病機理，為早期阻斷提供科學依據。細菌的分類與鑒別細菌的紅外光譜表達的是其自身物質的指紋信息，因此使用這種新技術可以研究亞種，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、許多細菌的紅外光譜的比較發(fā)現(xiàn)：區(qū)分和鑒別細菌最靈敏、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)已有關于乳酸菌、放線菌、李斯特桿菌、鏈球菌、梭菌、軍團菌等的!() 光譜應用。另外，>?#2? 等人已建立了一整套關于各種細菌菌屬和菌種的紅外光譜數(shù)據庫作為標準進行細菌的分類與鑒定。D#22&$C& 等人運用!() 的方法建立了一整套酵母的標準化的樣品制備方法，基于664 個已鑒定的酵母菌種，建立了光譜數(shù)據庫。D ;"E 等人用!() 的方法，建立了對于細菌細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的異種蛋白進行了定量分析。在應用開發(fā)領域1/，11可利用近紅外光譜分析技術進行食品、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在食品、化妝品、保健藥品方面的應用，見表4。應用近紅外光譜分析技術進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)據庫鑒別等四種鑒別方法。而運用近紅外光譜分析技術進行定量分析，其關鍵是建立預測效果優(yōu)秀的數(shù)學模型。中國農業(yè)大學已成功地研制了近紅外遠程分析的網絡系統(tǒng)，該網絡系統(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)學模型的能力。在食品領域：應用近紅外光

16、譜分析技術分析食品中的蛋白質、水分、含油量、脂肪、纖維素、淀粉等化學成分在國外已是非常成功的技術，1-5A 年就已經有了相關的專著，1-4 年的近紅外分析手冊上的第R，5，1A 章均是關于近紅外光譜分析技術在食品中的具體應用。同時，該技術已為食品工業(yè)管制所廣泛應用，許多實驗方案和計算方法已成為標準方法，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準方法（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已成為標準方法（）；用近紅外光譜法分析各種小麥及面粉中的水份、蛋白質也

17、已成為的推薦方法（>$=4/4）。在藥品分析領域：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取代繁瑣費時的品管分析方法的可行性，部分測試項目已被!"# 批準為標準方法。美國也著手討論制定標準的近紅外分析方法。清華大學分析中心、中國藥科大學分析計算中心已大量地應用近紅外定量技術研究中成藥的主成分，并建立了相應的定量分析數(shù)學模型。如劉荔荔采用近紅外漫反射光譜法，運用偏最小二乘法，定量測定了西洋參中摻入人參的量，數(shù)學模型的校正標準差%45 為6789:，決定系數(shù)為=7=9，預測標準差%4

18、& 為67<>=；方法的相對標準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，國外一些大的企業(yè)正積極探索近紅外在化妝品質和洗滌劑質管分析中的應用。對原料、香料、油脂混合物及混合均勻度進行分析，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有其獨特的優(yōu)勢，但同時也存在局限性即：有機成分分析檢測限比較低。無機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用!DE; 光譜法分別定量分析了與食品有關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光譜的變化信息與相應細菌細胞數(shù)量間的相關關系，建立相應的定量模型。研究結果表明：在=9的置信水平下，酵母混合體系定量分析結果的相對誤差小于C，乳酸菌混合體系定量分析結果的相對誤差小于?>。而常規(guī)平板定量方