分子成像的实现

分子成像的实现

1895年发现了X射线这种短波长的高能电磁波，它对物体具有很强的贯穿力。利用这一特点，结合照相技术，科学家们研制成了医疗用X射线诊断仪。借助X射线对不同物质的不同穿透力，使照相底片感受到不同强度的光，可以清楚地观察人体内部的器官以及骨骼，检查内外因和机体病变造成的器官形态变化，为诊断疾病、外科手术和内科理疗提供了可靠的科学依据。X射线机的问世无疑是人类医学发展的一个里程碑，它使人类增添了观察自己体内的“眼睛”。但这种技术有一些缺点，一是只能观察到骨骼和器官的表面而不能看到它们内部的情况；二是这种技术能清楚地观察到骨骼等硬组织的表面，而对体内软组织的表面的观察不是很清楚。几十年后，人们利用超声波的特点发明了B超新技术，利用B超人们可以看到肉眼不能直接观察的体内软组织表面的情况，弥补了X射线诊断仪的部分缺点。近年来，人们把计算机和数字模拟技术与X射线技术相结合，产生了现在被称为CT的成像技术。CT成像技术能观察器官的剖面，使我们知道器官内部的情况，另外，它对骨骼和其他各种器官的观察都很清楚。但这种技术还不是十全十美，它不能很清楚地观察到人体内像血液等流体的情况。近年来，发展了核磁共振成像技术，这种技术对血液等体内的流体观察得很清楚，使人们对人体内部的了解和诊断达到了一个新水平。

不难发现，以上几种技术具有一个共同特点，它们给医生装上了了解人体内部的“人工眼”。利用这种人工眼，人们可以看见体内器官与组织的情况。但这些技术对组成器官的分子的种类及结构却一无所知，无法从分子结构与组成的变化上考察病变的本质。病变是由于生物分子的组织和结构改变引起的，而病变的初期显然开始于很小的局部空间。如果能够早期诊断病变的确切部位及其病变产生的分子基础，医生就会很早发现疾病和更有把握医治疾病。因此，如果研制能观察体内器官分子情况的设备，那么这在医学上将有巨大的意义。能否研制这样的仪器呢？答案是肯定的。分子光谱成像仪也许不久就会成为这样的医学仪器。

光散射是自然界常见的现象，当一束光照到介质上时，大部分的光被介质反射或透过介质，但还有一部分光被介质向四面八方散射而被称为散射光。大部分的散射光的波长与入射光相同，这种与入射光波长相同的散射光被称为瑞利散射，以纪念发现这种散射光的科学家瑞利。

1928年，印度科学家拉曼发现，有极小部分的散射光的波长与入射光不同，这种波长与入射光不同的散射光后来被称为拉曼散射光。众所周知，分子由原子组成，分子中的原子核均在其平衡位置附近做周期运动。原子核间的相对距离在这种运动中产生周期变化，形成所谓的振动。科学家发现，拉曼散射光的波长、强度等与组成分子的原子之间的振动有关，因而能用它来测量分子的结构，并在不久之后研制成了拉曼光谱仪。用拉曼光谱仪测得的光谱就是可以用来进行分子光谱成像的拉曼光谱。拉曼光谱通常比核磁共振的空间分辨率高得多，原则上司以在很小的范围内进行立体扫描，得到物质的化学分子的空间分布，即有关组织的分子图像，这就是所谓分子光谱成像。它不仅能表征组织的形态，而且还可从分子水平提供许多病变信息。

为了实现分子光谱成像，还需要解决一系列技术难题。首先，要有能穿透组织的强光，而激光有可能完成此项任务。其次，由于只有很少一部分散射光是拉曼散射光，因此，需要高灵敏度的信号检测器。当前的CCD电荷耦合检测器的开发已看到了这方面的曙光。另外，还要求高精密的机械系统和稳定的信息处理方法。当然计算机技术对数据的处理和操作控制也是重要的一环。

拉曼光谱成像在其他领域也会获得广泛应用。现在人们已可以利用普通拉曼光谱和拉曼显微探针对复杂的材料进行分子成像。最近国外报道了液晶可调滤波片成像光谱仪，使拉曼化学成像又前进了一大步。用拉曼光谱成像和数字成像来估计复杂材料的化学组成和分子结构，以及不同分子在复杂物质中，特别是物体表面或界面上的分布已经实现。无疑，这对了解材料的分子结构与功能的关系提供了可靠的科学依据。这类成像的特点是对参考物质不需要处理，也可以进行原位测试。这给化学、矿物学、物理和其他技术带来了极大方便。不过，目前这种仪器尚未商品化，工艺技术还需进一步完善，造价也很高。但可以预言，随着相关技术的发展，实用性的拉曼成像技术很快会走进人类的生活。