摘要：1663年，牛顿观测通过三棱镜的太阳光，发现本来无色的太阳光呈现7种颜色的光带。1672年，他在伦敦皇家学会上发表的论文《光和颜色的新理论》中，将这种彩虹色光带命名为光谱。太阳光的分解现象引起了许多科学家的兴趣，他们纷纷开展类似的实验寻找各种光源的光谱。为了能

光谱技术能够准确、快捷地检测人体组织中化学元素、水、氧气、细胞癌分泌物和病毒等物质和它们的含量，对保障人体健康有重要意义。

化学元素、水、氧气等是人体的重要组成物质，它们在人体组织中的含量适量，身体才健康;人体组织中如果出现癌细胞分泌物、病毒等物质，健康将受到影响。

光谱技术

1663年，牛顿观测通过三棱镜的太阳光，发现本来无色的太阳光呈现7种颜色的光带。1672年，他在伦敦皇家学会上发表的论文《光和颜色的新理论》中，将这种彩虹色光带命名为光谱。太阳光的分解现象引起了许多科学家的兴趣，他们纷纷开展类似的实验寻找各种光源的光谱。为了能够定量地记录太阳光某种色光在光带上的位置，科学家们对牛顿的实验装置做了改进，在三棱镜前加一只狭缝，让太阳光先通过这只狭缝再通过棱镜，然后用透镜把透过棱镜的光汇聚起来，在透镜焦平面上观察其光谱。这时候就看到一系列狭缝像，每个像是一条细的亮线，被称为“谱线”。在光带不同位置上的谱线，颜色是各不相同的，这幅呈现一根根光谱线的图像称为光谱图。也有一些光源(如炽热固体)发射的光，其光谱图上就不出现这些线状的谱线，而是一片从红色到紫色的彩色带，这种光谱被称为“连续光谱”，太阳光谱就是这一类。

科学家进一步研究还发现，每种元素的原子或者分子，它们的光谱图上的谱线数目以及它们在光谱图上的位置是不相同的，并且有它们自己所特有的谱线(即特征光谱线)。科学家还发现，元素的原子、分子在各种不同物质里的特征光谱线位置不会改变，可能变化的只是其谱线强度。1852年，瑞典的物理学家埃格斯特朗(A. J. Angstrom 1814—1874)发表了一篇论文，列出了一系列物质的光谱图，并正式指出每一种特征光谱乃是某一种元素的特定标志，光谱正像人类的指纹一样，各种金属元素所发射的光谱线的数目﹑强度和位置都不一样，因此可以由光谱的分析来检验金属元素的种类，更可由各元素谱线的相对强度来判断混合物中各种元素的相对含量，并正式指出每一种化学元素都有它们的特征光谱线。这样便可以根据元素的光谱图，反过来判断物质中所含有的化学元素，还可以根据它们的谱线相对强度判断物质中各种元素的相对含量，这便是光谱技术。如果获得物质的光谱图，便可以知道物质的成分及它们的含量。即使含量微小的物质也能被发现，如早在18世纪，就能够探测出含量1/(300万)毫克的物质。

光谱技术发展很快，类型也很多。按发光体分有原子光谱技术、分子光谱技术、离子光谱技术等;按光波长的波段分有紫外光谱技术、可见光光谱技术、红外光谱技术等;按发光现象分有光致发光光谱技术、荧光光谱技术、吸收光谱技术、拉曼散射光谱技术等。自从1960年代激光器问世以来，利用激光器做光谱的光源，又开发出激光光谱技术，它的分析灵敏度更高，可以检测出单个元素原子、分子，而且只需微量的样品便可进行分析。

人体化学元素检测

人体组织含有一些化学元素，它们对身体健康起着重要作用，其中占人体组成物质总量0.01%以上的元素称为“常量元素”，也称宏量元素;占比在0.01%以下的元素称为“微量元素”，这两类元素在人体的功能以及对健康的影响各有不同。

人体的常量元素包括氧、碳、氢、氮、钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁共11种元素。如人体内钙元素缺乏易患佝偻病或发育不良，含量过多则容易引起白内障、动脉硬化等症状;镁元素含量不足容易出现心率过快、心律失常、房室传导阻滞等症状，含量过高会出现恶心呕吐、嗜睡、肌肉无力、昏迷、心律失常等症状。微量元素主要有铁、铜、锌、锰、钴、钼、硒、铬、镍、钒、锡、硅、碘、氟共14种。如人体内铁元素含量不足会引起缺铁性贫血，含量过多会引起急性中毒、坏死性胃炎等疾病;锌元素含量不足会引起食欲不振、生长缓慢、发育不良等问题，尤其影响儿童大脑神经系统的发育，含量过高会引起锌中毒，影响免疫功能。所以人体组织的化学元素含量需要适中，含量过低或过高都会影响身体健康。

做好人体内化学元素快速准确检测，对找出危害人体健康的隐患，从源头上预防和控制疾病，对保障我们的身体健康有着重要意义，也是最经济、最有效发展大健康的策略之一。同时，对人体内常量元素和微量元素含量的分析也可为病因学、发病学、诊断学、防治学等方面的研究以及临床诊断提供重要科学依据。

电化学法通过电极与待测样品中的微量元素发生电化学反应，产生电流信号，进而测定样品中微量元素的含量，是检测人体化学元素常用的方法。光谱技术是新方法，更具优越性。如原子吸收光谱法可通过测定样品中元素对特定波长光辐射的吸收程度来确定其含量。而且用这个办法比电化学法检测人体血液中的微量元素结果更准确、更可靠，还能够全部检测出卫生部室间质控标本含量，变异系数均小于20%;而电化学检测法则未能检测出卫生部室间质控标本含量。

人体水含量检测

水是人类生存的三大要素之一，它是生命之源、健康之本。人体绝大多数的生命活动都必须要有水参与。水的溶解力很强，能够协助食物消化，溶解矿物质、维生素、氨基酸、葡萄糖和其他小分子营养素，使之易于被人体吸收。水能稀释细胞内的物质和体液，使它们能在细胞内或消化道内活动相对自由，水还能改善人体的内循环，保持体内的酸碱平衡以及矿物质的离子平衡。

—般来说，年龄越小，人体内水分所占的比重越大。如一个5千克重的婴儿，其体内水含量就有4千克多;一个成年人体内的水含量占总体重的 60%~70%。水构成了人体的内环境，人体内水含量减少会加速衰老，皮肤皱纹增多、加深、失去弹性等,这是由于脱水而导致细胞过快死亡的缘故。人体内水含量不足时将影响新陈代谢正常进行，并诱发身体不适和多种疾病。轻度缺水会感到口渴;如果缺水量增大到15%时会感到头晕、眼花、烦躁不安;缺水量达到 20%时会出现脱水，引起昏迷、酸中毒或者尿中毒等症状;如果缺水量继续增大到25%时就可能危及生命。据世界卫生组织(WHO)的调查结果，人类80%的疾病与人体的水含量有关。

水的拉曼光谱 波数3652厘米这个谱峰对应水分子对称伸缩振动的光谱，根据该谱峰的强度可以确定人体内水的含量。

检测人体水含量的方法有许多，包括体重称量法、标记法、生物电阻抗法、血液指标法、尿指标法、光学方法等，其中利用光谱技术的光学方法检测人体水含量有测量准确性高、速度快的特点。拉曼光谱技术是检测化合物成分和含量的重要技术，同样也可检测人体组织水含量。由于水含量的多少会影响生物组织的导热性能，相应组织的光学参数会发生变化，通过检测光波与组织相互作用发生的变化，就可以反演组织的水含量变化。拉曼光谱技术基于拉曼散射效应，当激光照射在被测组织上时，分子吸收能量并产生散射光，这些散射光包含有关物质化学结构等独特信息。通过分析拉曼光谱中的特征谱峰，可以确定物质中水的存在及其含量。

人体氧气含量检测

几乎所有生物细胞的呼吸活动都需要氧气，它是人体进行新陈代谢的关键物质，是人体生命活动的第一要素。一般脑力劳动者每天约消耗2400千卡能量，体力劳动者每天约消耗3000千卡能量，这些能量都来源于食物和水。食物中的糖、脂肪和蛋白质等在生物酶的作用下进行一系列的化学反应，产生了能量和人体所需的营养物，而氧气是进行这些化学反应不可缺少的物质，一个成年人在静息状态下每分钟消耗的氧气量大约为250毫升。

医学研究显示，人体组织内氧气含量不足(即通常说的缺氧)会引起一系列健康问题。德国著名科学家、诺贝尔奖获得者瓦尔伯格(Otto Warburg)研究证实，人患癌症的主要原因是人体有正常氧气呼吸功能的细胞被厌氧性细胞所取代。我国学者徐春堂也认为缺氧会对人体产生危害，例如会引起皮肤癌、出现基因突变等一系列难以治愈的疾病。人的中枢神经(包括脑组织和脊髓)对缺氧最敏感，轻度缺氧会造成人注意力不集中、智力减退;缺氧程度加重时，会出现烦躁不安、神志恍惚等情况;严重缺氧将导致人体组织代谢障碍和系统功能紊乱、血红蛋白量减少、血红蛋白变性以及肺活量下降、肺换气功能不良等症状。缺氧也会对神经系统和运动机能带来不同程度的损害，而且是不可修复的，严重时会致残或死亡。当然，氧气含量过高也会引起中毒，同样也影响身体健康。

氧合血红蛋白和还原血红蛋白的光学吸收光谱

人体组织的血氧饱和度能反映人体健康状况。一般来说，成年人动脉的血氧饱和度大于95%时，表示血氧水平在正常范围，一旦低于95%就应该引起我们的警惕了，如果低到 90% 以下，需要及时到医院就诊。因此，准确地判断人体组织的氧气含量非常重要，而且临床治疗也需要知道组织的氧气含量。目前主要使用红外光谱光电法测量血氧饱和度，因为波长在700~1000纳米的近红外光波在人体组织有较强的穿透能力，能提取组织深层生理信息。红外光谱光电测量系统由红外光谱仪与红外光源组成。红外光源发出的红外光照射到血液样品的时候，血液中的氧气含量不同，被吸收的红外光能量也不同，红外光谱仪根据人体动脉血液红细胞中的还原血红蛋白和氧合血红蛋白的光学吸收光谱，结合朗伯-比尔定律，可以得到被检测者的血氧饱和度，从而获得其组织的氧气含量及其变化。这是一种无创伤、实时的检测技术。

人体组织有害物质检测

一些有害物质如变异细胞、癌细胞分泌物质等在人体组织内出现，会对健康产生危害。

细胞在癌变的过程中，其基本成分(蛋白质、核酸、脂类和糖类等)的物质结构会发生一定程度的变化，同时产生一些分泌物质。例如，细胞的癌胚抗原(carcino-embryonic antigen, CEA)在人体健康组织中的含量本来是很少的， 但是细胞一旦发生癌变，其分泌的CEA量就会随之增多。不过，在癌变早期，这种分泌物含量并不多，还不足以引起明显的临床症状，因此常规的临床检测手段往往也难以发现它们。临床上绝大部分癌症患者被确诊时往往已处于中、 晚期， 此时采用手术、放疗、化疗、靶向治疗等一种或多种方式治疗，5年生存率一般不足20%;如果能够早诊断出并进行早治疗，则其生存率有可能达到90%左右。

随着医疗技术的发展，光谱技术可以探测出微量癌细胞分泌物质，且灵敏度很高。拉曼光谱技术能在分子水平上反映物质的结构变化，利用这种光谱技术就能够探测出细胞癌变初期释放的微量分泌物，即利用它能实现癌症早期检测。

血液的拉曼光谱 曲线a代表健康人，曲线b代表癌症患者。两者有明显差别，曲线b上5、6、7这3个位置出现的拉曼光谱峰显示血液细胞出现了新分泌物质。正常血液细胞中没有这些物质，所以曲线a上没有出现相应的拉曼光谱峰。

病毒是一类非细胞型微生物，由一个核酸长链和蛋白质外壳构成，个体极小，需要用电子显微镜才能观察到。人体各组织器官均可能被病毒感染，引发疾病。目前探测病毒感染的方法主要有免疫检测、核酸检测、芯片检测、热成像检测、核磁共振检测等。光谱技术在病毒诊断中也具有发展潜力，利用拉曼光谱诊断丙型肝炎、乙型肝炎就是很好的例子。自1989年以来，丙型肝炎病毒(hepatitis C virus, HCV)感染已成为全世界关注的问题，据世界卫生组织报道，全球有1.7 亿HCV感染者，流行率约为3%。人体被HCV感染后病情隐匿，感染者在早期症状并不明显，并有50%~80%的感染者会转变成慢性肝炎，同时在由急性期转入慢性期的过程中有 50%~80%的患者仍然难以察觉自己已被HCV感染，这将增加继续感染他人的风险;因为未能及时发现并治疗，将有10%~30%的HCV感染者发展成为肝硬化，1%~5%的患者甚至会发展为肝癌。所以早期诊断 HCV感染，不仅能及时预防HCV传播，还能够增加 HCV感染患者被治愈的概率。研究显示，利用拉曼光谱技术可以对HCV感染者体内多种肝炎作出早期诊断。临床试验也显示，利用拉曼光谱检测技术得到的诊断正确率达96%。

健康人和丙型肝炎患者血清的拉曼光谱 两者的光谱结构较类似，但在光谱谱峰强度上有差异，特别是拉曼位移波数在1002、1155、1515厘米这3个位置的谱峰强度差异更明显，HCV感染者的拉曼光谱带强度明显比非感染者的光谱带强度弱。临床试验显示，利用拉曼光谱检测技术得到的诊断正确率达96％。

乙型肝炎是由乙型肝炎病毒(hepatitis B virus, HBV)感染引起的、以肝脏炎性病变为主并可引起多器官损害的一种传染病。全球约有20亿人感染，它也是我国当前流行最为广泛、危害最为严重的一种传染病，某些地区感染率超过35%。我国大约有7亿人曾经感染过HBV，1.2亿人呈长期携带病毒状态，利用荧光光谱法能够快速、准确地对感染者做出诊断。感染乙肝病毒后，机体免疫系统会针对表面抗原产生相应的抗体，这些抗体与荧光标记物结合后，在特定波长光辐射作用下会发出荧光。通过检测血液中的荧光强度，可以判断是否存在乙肝病毒感染。

展 望

光谱技术是检测生物组织发生变化的重要技术之一，也是诊断疾病的先进技术。由疾病引起人体各种器官组织及体液的变化在其光谱图上会有所反映，不同的疾病在光谱图上将出现不同的特征光谱，即疾病的印记。采用光谱技术诊断，只需提取患者的头发或血液、尿液、汗液等的光谱信息就可以获得诊断结果，且诊断周期短。可以预见，随着科技的进步，光谱技术在医疗上将会获得越来越广泛的应用。

来源：中科院物理所