楊引君，何萬慶，柳永明，孫對(duì)兄

（1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)臨床學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省中醫(yī)院脊柱骨科，甘肅 蘭州 730000；3.西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）是由激光器產(chǎn)生一束高能脈沖經(jīng)聚焦透鏡聚焦后作用于樣品靶表面，靶表面聚焦處溫度迅速上升，使得靶表面迅速向外噴射大量的熔融粒子，熔融粒子通過對(duì)激光能量的吸收和自身的碰撞被進(jìn)一步的分解、電離形成激光等離子體，然后利用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)等離子體進(jìn)行收光，探測(cè)器記錄光譜，最終在PC端對(duì)光譜信息進(jìn)行提取記錄波長(zhǎng)和強(qiáng)度進(jìn)行分析的一種分析技術(shù)，它具有快速、便捷、遠(yuǎn)程、微損、樣品制備簡(jiǎn)單及多元素快速分析等優(yōu)勢(shì)[1-2]。隨著這項(xiàng)技術(shù)的逐步完善成熟，已經(jīng)從一種簡(jiǎn)單的元素分析技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可應(yīng)用的技術(shù)[3]，在考古、地質(zhì)土壤、食品安全、液體監(jiān)測(cè)、法醫(yī)鑒定、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。夏志林、孔令昊[4]等通過紫外光照凝膠固化-納米顆粒增強(qiáng)LIBS檢測(cè)強(qiáng)酸性液體，測(cè)得其中Cu2+、Ni2+和Zn2+三種離子的檢出限分別為1.489、1.512和4.886mg/L，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線線性良好，表示該技術(shù)對(duì)強(qiáng)酸性廢水中重金屬分析具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。張超、朱林[5]等采用便攜式LIBS裝置，檢測(cè)河道沉積物中的Zn元素，結(jié)合等離子體特征的標(biāo)準(zhǔn)化方法減少光譜波動(dòng)，并用BPNN算法對(duì)沉積物中的Zn元素的濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)于2019年3月現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室原子吸收分光光度法（AAS）檢測(cè)結(jié)果比對(duì)，兩者所測(cè)濃度具有良好的一致性，平均誤差為8.3%。Christopher[6]等基于手持LIBS對(duì)金伯利巖地幔捕虜體的鋸切巖心表面快速定性，利用其對(duì)低原子序數(shù)元素（如Li和Na）微尺度分布的敏感性，繪制出交代礦物的細(xì)脈和顆粒邊界。

1 技術(shù)原理

LIBS技術(shù)是一種實(shí)時(shí)快速的光譜探測(cè)技術(shù)，對(duì)固體、液體、氣體等諸多樣品都可以做出有效檢測(cè)。其原理主要為由一束高能量激光脈沖作用于樣品表面，樣品表面吸收激光能量形成呈現(xiàn)電中性的等離子體，此時(shí)處于激發(fā)態(tài)的原子、離子等將從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，并發(fā)射攜帶樣品中元素信息的連續(xù)光譜，分析其特征譜線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，即可獲得樣品中元素的種類和含量信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品中待測(cè)元素的定性和定量的分析[7]。需注意由于樣品環(huán)境發(fā)生變化，故采集結(jié)果會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)輕微差異，在后期分析過程中可對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理及PAC降維以減少誤差。

其裝置可簡(jiǎn)述為由激光器發(fā)出一束高能激光，經(jīng)反射鏡反射，聚焦透鏡聚焦至樣品表面，在樣品表面產(chǎn)生等離子體，由收光透鏡對(duì)等離子體發(fā)光進(jìn)行收集，經(jīng)光纖傳輸?shù)焦庾V儀進(jìn)行分光， ICCD進(jìn)行探測(cè)，最后由電腦對(duì)光譜信息進(jìn)行提取。激光器多選基頻為1064nm的Dd:YAG脈沖激光器，重復(fù)頻率及輸出激光能量依據(jù)不同需要而調(diào)節(jié)。

圖1 L IBS裝置示意圖

2 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

LIBS作為一種新興的光譜探測(cè)技術(shù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，閱讀大量文獻(xiàn)，其應(yīng)用目前主要集中于組織、骨骼、血液及藥物四個(gè)方面。

2.1 組織方面

皮膚是人體最大的器官，從解剖學(xué)角度可以解釋為是由表皮（復(fù)層扁平上皮）與真皮（結(jié)締組織）兩層結(jié)構(gòu)組成并披覆在人體表層，直接與外界環(huán)境相接觸的組織。中醫(yī)認(rèn)為，皮屬“五體”之一，具有衛(wèi)外以防御外邪，開闔以調(diào)節(jié)呼吸及代謝的作用。外界因素的作用常可引起皮膚組織的異常改變，同時(shí)伴隨相應(yīng)元素的變化，通過LIBS技術(shù)對(duì)皮膚樣品進(jìn)行定性定量分析以鑒別診斷或探查某項(xiàng)元素的含量變化，是當(dāng)前比較常見的一種醫(yī)學(xué)應(yīng)用手段。如祝銘、陳秉靈[8]等采用LIBS技術(shù)對(duì)四組病例的皮內(nèi)組織和真皮組織的Ca元素和Na元素定量檢測(cè)并建立數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)LIBS對(duì)兩種組織的區(qū)分成功率可達(dá)97.5%。K amili Asma[9]等通過LIBS對(duì)單峰駱駝皮膚中的鋅元素含量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)皮膚中Zn的含量在115±60（外側(cè)）和(94±82)ppm（內(nèi)側(cè)）之間，且其含量由外到內(nèi)依次降低，為健康駱駝與患皮膚病駱駝皮膚中鋅營(yíng)養(yǎng)水平的鑒別提供的新方法。

惡性腫瘤的診斷與治療仍是目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的難點(diǎn)與重點(diǎn)，尤其是惡性腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)與診斷對(duì)于治療有著至關(guān)重要的作用。其致病原理可簡(jiǎn)述為機(jī)體細(xì)胞因受到某些因素影響，發(fā)生異常增生與分化，嚴(yán)重破壞正常的組織與器官。由于增生分化后的新組織生長(zhǎng)不受正常機(jī)體生理調(diào)節(jié)，一旦形成，便不會(huì)因病因消除而停止增長(zhǎng)。所以對(duì)于惡性腫瘤的發(fā)現(xiàn)越早則越容易治愈。當(dāng)前對(duì)于腫瘤的診斷除癥狀及體征以外，最常用的是血清學(xué)（酶學(xué)、糖蛋白、酶相關(guān)抗原等）檢查、影像學(xué)（X線、CT、MRI）以及超聲檢查等。但這類檢查對(duì)于癌的早期診斷并不典型，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展，對(duì)腫瘤的診斷雖優(yōu)，但耗時(shí)且昂貴，此時(shí)，病理組織學(xué)檢查恰可以提供另外一種手段。利用LIBS技術(shù)對(duì)采集到的惡性組織進(jìn)行元素檢測(cè)，可以明確提示元素的異常變化。楊思博[10]基于LIBS技術(shù)對(duì)乳腺癌組織中的K、Ca、Na、Mg四種元素定性定量，得到關(guān)于這四類元素的LIBS光譜及分布圖像，經(jīng)聚類分析后建立了乳腺癌的判別診斷模型，實(shí)現(xiàn)了癌細(xì)胞團(tuán)的可視化。王靜[11]等采用LIBS技術(shù)，結(jié)合主成分分析（PCA）和支持向量機(jī)（SVM）對(duì)正常組織和宮頸癌組織中微量元素的含量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)癌變組織中的Na、Mg、K三種元素的歸一化峰強(qiáng)度明顯高于正常組織，而正常組織中Ca的歸一化峰強(qiáng)度高于宮頸癌組織，為利用LIBS技術(shù)診斷腫瘤組織提供了初步研究基礎(chǔ)。

2.2 骨骼與牙齒

骨者，為干，髓之府也，為腎所主，精血所養(yǎng)。具有支持形體、保護(hù)內(nèi)臟器官，藏髓生血以及運(yùn)動(dòng)的功能。從現(xiàn)代醫(yī)學(xué)角度來看，骨骼是一種代謝活躍的結(jié)締組織，是一種由有機(jī)材料和無機(jī)材料組成的復(fù)合材料，其中60%為無機(jī)成分，主要由鈣鹽和磷酸鹽組成[12]。所以，除了上述功能，骨骼還具有儲(chǔ)藏礦物質(zhì)與生長(zhǎng)因子、調(diào)節(jié)礦物質(zhì)和酸堿穩(wěn)態(tài)的作用[13]。特別是鈣元素的存在，使得骨代謝與維持鈣穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)[14]。中華醫(yī)學(xué)會(huì)骨質(zhì)疏松和骨礦鹽疾病學(xué)會(huì)在《原發(fā)性O(shè)P診療指南（2017）》中將人一生的骨骼生長(zhǎng)發(fā)育分為三期：Ⅰ期為骨骼生長(zhǎng)發(fā)育期（約20歲之前，即成年前），該階段機(jī)體鈣攝入量超過排出量，處于正鈣平衡，骨量持續(xù)增長(zhǎng)（骨形成大于吸收）；Ⅱ期為成年期（20～40歲），人體骨骼生長(zhǎng)發(fā)育至頂峰，鈣攝入與排出大致相當(dāng)，代謝零平衡，骨量維持于峰值（骨形成與吸收相當(dāng)）；之后伴隨年齡上升，機(jī)體對(duì)于鈣元素的吸收和攝入量均減少，且吸收大于形成，鈣排出增加，形成慢性負(fù)鈣平衡，骨量丟失，此為Ⅲ期[15]。對(duì)于骨骼發(fā)生的疾病，《素問·痿論》提出：“是人者，素腎氣勝，以水為事，生于骨，腎氣不生，則髓不能滿，故寒盛至骨也。”從中醫(yī)角度論述，骨病當(dāng)分虛實(shí)，實(shí)者寒、濕、瘀停滯于肌肉筋骨，不通則痛；虛者年老體衰，腎精虧虛，脾陽不足，四肢百骸失養(yǎng)，不榮則痛[16]。故當(dāng)骨骼系統(tǒng)發(fā)生疾病時(shí)，無論虛實(shí)，均會(huì)引起自身元素的改變，通過光譜技術(shù)對(duì)骨骼元素的定性定量分析，將成為研究骨骼疾病的新手段。但目前利用LIBS對(duì)骨骼醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用較少見。Alicia[12]等采用無校準(zhǔn)LIBS（CF-LIBS）方法對(duì)野豬肋骨中的元素定性、定量分析，將光譜范圍從UV-NIR擴(kuò)大到VUV區(qū)域獲得SB圖線，通過計(jì)算得到樣品的Ca、P，從而對(duì)野豬肋骨中的羥基磷灰石作出相應(yīng)描述。Alicia Marín Roldán[17]等利用CF-LIBS結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）對(duì)不同個(gè)體的野生鹿骨骼進(jìn)行了識(shí)別和重組，為利用骨骼元素組成來提供足夠信息以正確辨別不同個(gè)體提供了可能，為法醫(yī)學(xué)及考古學(xué)研究提供了更多手段與方法。

牙齒作為人體用來咀嚼食物的重要工具，不同于骨骼，其組成由牙釉質(zhì)、牙骨質(zhì)、牙本質(zhì)和牙髓腔組成，其中無機(jī)質(zhì)占據(jù)主要成分。目前LIBS技術(shù)在牙科方面的應(yīng)用廣泛，大部分并非精確的定量測(cè)量，而是用于識(shí)別和分類，比如對(duì)齲齒的鑒別等。Trisnawati、Krisandi[18]等基于LIBS的主成分分析（PCA）算法，對(duì)數(shù)據(jù)線性基線校正、面積歸一化等預(yù)處理后，清晰地對(duì)人體牙齒表面的部分進(jìn)行了聚類和區(qū)分，得出牙本質(zhì)表面具有最高的均一性的結(jié)論。HSuyanto[19]等利用LIBS技術(shù)在55 mL/s的氦氣中對(duì)人體牙本質(zhì)和牙釉質(zhì)中的元素定性測(cè)量，發(fā)現(xiàn)印尼人的牙齒元素組成包括Ca、F、Si、Zn、Na、Sn、Ar等諸多元素。Asmaa N. Ahmed[20]等利用LIBS、SEM與EDS對(duì)不同樣本的智齒結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)女性牙齒間Ca、K、Mg、Na、Sr的比值變化較大，并且，Sr和Mg的含量也在隨著年齡的增加而增加。

2.3 血液及其他液體

當(dāng)前，利用LIBS技術(shù)在液體元素的檢測(cè)中應(yīng)用十分廣泛，葉松、陶玉恒[21]等基于超疏水效應(yīng)結(jié)合LIBS對(duì)水中鉛元素做了快速檢測(cè)；R ipoll L[22]等首次研究了基于薄膜微萃取結(jié)合LIBS對(duì)水中Cu、Cr、Ni和Pb等痕量元素進(jìn)行了定性定量檢測(cè)。但其在人體血液及其他液體的應(yīng)用仍相對(duì)少見。

正常人體組成中約有70%為水分，而組成人體的這部分由水及溶解在其中的無機(jī)鹽、有機(jī)質(zhì)構(gòu)成的液體即為體液，分為細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液，其中血漿和組織間液則屬于細(xì)胞外液。當(dāng)人體發(fā)生疾病時(shí)，通常會(huì)引起血液及其他相關(guān)液體(如腦脊液、關(guān)節(jié)液、消化液等)的異常表現(xiàn)。通過利用LIBS技術(shù)對(duì)相應(yīng)液體中的元素濃度變化進(jìn)行檢測(cè)，可為臨床診斷及治療提供更多途徑及建議。N oureddine Melikechi[23]等通過利用LIBS結(jié)合線性判別分析(LDA)和隨機(jī)森林分類技術(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)基因卵巢癌小鼠和野生型對(duì)照小鼠的血漿標(biāo)本進(jìn)行分類和區(qū)分，結(jié)果提示LIBS和多變量分析可能是一種檢測(cè)卵巢癌的新方法。Alsharnoubi J,Nassef Y[24]等采用LIBS技術(shù)對(duì)地中海貧 血患者的血清中鐵、鈣、鋅、銅元素水平變化進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)地中海貧血患者血清中鐵水平明顯升高。張瑤[25]基于血清LIBS技術(shù)對(duì)153例不同分期的淋巴瘤患者的血清樣本繪制光譜，與正常人對(duì)比，獲得淋巴瘤診斷、分期、分型的最高正確率為95.1%、100%、96.4%，為淋巴瘤的快速鑒別診斷提供了一種新可能。

2.4 中藥材及其他藥品

中藥是我國醫(yī)學(xué)文化的瑰寶，是在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)傳入中國前醫(yī)治疾病之根本。《神農(nóng)本草經(jīng)》是我國現(xiàn)存最早的一部藥物學(xué)專著，將中藥分為上、中、下三品，提出：“上藥，主養(yǎng)命以應(yīng)天，無毒，多服久服不傷人”“中藥，主養(yǎng)性以應(yīng)人，無毒有毒，斟酌其宜”“下藥，主治病以應(yīng)地，多毒，不可久服”。另外，中藥還當(dāng)分寒、熱、溫、涼四性，酸、苦、甘、辛、咸五味，依醫(yī)家正確辨證而組方施治。由于當(dāng)前中藥材市場(chǎng)的火熱，個(gè)別商家著眼于眼前利益，對(duì)其所植的中藥材使用非正常手段種植，致重金屬元素超標(biāo)、品質(zhì)殘差；此外，部分同一藥物的不同部位，其藥效也可有明顯不同，比如麻黃莖，具有發(fā)汗解表、利水消腫之功效，而麻黃根相反，具有固表止汗之效，一者為宣，一者為澀。目前LIBS在藥學(xué)方面的應(yīng)用主要在于對(duì)中藥材品質(zhì)的鑒別、同一藥株不同部位藥性的判定及重金屬含量的檢測(cè)（藥物毒性）。鄭培超、鄭爽[26]等采用隨機(jī)森林分類模型結(jié)合LIBS對(duì)5個(gè)等級(jí)的石斛樣品建模，測(cè)得平均識(shí)別率為96.46%，提示LIBS為快速鑒別石斛等級(jí)與分類具有可行性。F idaF.Al Adel[27]等采用LIBS和X射線光電子能譜（XPS）對(duì)肉桂的元素組成進(jìn)行分析，得出肉桂含有Na、K、Fe、Cd、Mg、Mn、Ni、Ba、Si、Ca、O、K等諸多元素，其中K的存在解釋了其在利尿治療高血壓時(shí)的藥用作用。傅院霞、唐永強(qiáng)[28]等利用LIBS對(duì)茯苓、當(dāng)歸、雞血藤和佛手四種藥物檢測(cè)分析，四者均含有微量元素Fe，茯苓和佛手雞血藤均含有Ca元素和Na元素，佛手、當(dāng)歸及雞血藤均含有Cu元素。此外，LIBS對(duì)于保健藥物中所含元素的定性定量分析也較為廣泛。比如Sobia Nisar、Ghulam Dastgeer[29]等利用LIBS技術(shù)對(duì)鈣片中存在的元素進(jìn)行了檢測(cè)，并將Ca、Mg、Fe、Zn等元素所測(cè)近似量與規(guī)定量比對(duì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果完全一致。

3 結(jié)論及展望

骨質(zhì)疏松癥是一類臨床常見的骨科疾病，以骨骼骨量減少，密度降低，組織微結(jié)構(gòu)損壞，脆性增加為特征。而疏松的骨質(zhì)因受到輕微的應(yīng)力發(fā)生骨折，一直是老年人致殘乃至致死的主要原因之一。如果有一種方法可以對(duì)危險(xiǎn)人群進(jìn)行早期篩查識(shí)別并給予適當(dāng)治療即可有效降低骨折風(fēng)險(xiǎn)。然而對(duì)于骨骼完整性的維持需要重復(fù)經(jīng)歷一個(gè)叫做“骨重建”的過程，包括破骨細(xì)胞骨吸收過程及成骨細(xì)胞骨形成過程。骨質(zhì)疏松的發(fā)生多是由于體內(nèi)激素分泌異常，刺激破骨細(xì)胞而抑制成骨細(xì)胞，骨吸收/骨形成比值升高，導(dǎo)致成骨細(xì)胞主導(dǎo)的羥基磷灰石沉積礦化減弱，最終骨骼脆性增加[30]。當(dāng)前對(duì)于骨質(zhì)疏松的治療除改善生活方式、給予抗骨質(zhì)疏松藥物外，鈣劑與維生素D是調(diào)節(jié)骨健康的基本補(bǔ)充劑之一。然目前上市的鈣片中鈣含量各不相同，且各患者骨質(zhì)疏松情況不一，利用LIBS技術(shù)對(duì)骨質(zhì)疏松患者的骨質(zhì)與正常人骨質(zhì)中的礦物元素定性定量分析，對(duì)于更好地指導(dǎo)用藥，有效改善骨質(zhì)疏松癥大有裨益。

腰椎間盤突出是影響諸多患者正常生活的常見病之一，常引起患者腰腿痛及下肢坐骨神經(jīng)放射癥狀。對(duì)于其發(fā)病機(jī)制，椎間盤退行性變學(xué)說認(rèn)為，當(dāng)椎間盤發(fā)生退行性改變時(shí)，主要表現(xiàn)為早期髓核及纖維環(huán)水分降低，蛋白聚糖流失，后期則因髓核及纖維環(huán)水分丟失嚴(yán)重逐漸失去彈性及膨脹功能，在外力因素下，致椎間盤萎縮及彈性下降，髓核突出[31]。將LIBS技術(shù)應(yīng)用于退變的椎間盤，對(duì)于評(píng)價(jià)其退變程度及診斷，可以提供有效助力。另外，腰椎結(jié)核、布氏桿菌性脊柱炎、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等骨科感染性疾病來說，基于LIBS技術(shù)在微生物學(xué)方面的廣泛應(yīng)用，必將提供另一大助力。饒剛福、黃林[32]等采用LIBS技術(shù)結(jié)合主成分分析法與隨機(jī)森林主成分分析法，鑒別了10種微生物樣品種類，結(jié)果發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)集總準(zhǔn)確率與訓(xùn)練集總準(zhǔn)確率均在96%以上，提示對(duì)LIBS光譜合理地預(yù)處理并構(gòu)建合適模型，對(duì)微生物種類的快速鑒別即具有可行性。骨科學(xué)作為整個(gè)醫(yī)學(xué)體系中不可或缺的一部分，由于骨骼的特殊性，LIBS技術(shù)的應(yīng)用在日后必然會(huì)大放異彩。

中藥材不僅是我國瑰寶，中成藥的發(fā)展也成為當(dāng)前中醫(yī)學(xué)及藥學(xué)領(lǐng)域的一大成就。這是一類采用傳統(tǒng)中藥材作為原料，在中醫(yī)藥理論指導(dǎo)下，依據(jù)特定處方和制劑工藝而制成的中藥制劑，為達(dá)到預(yù)防及治療疾病的目的。相較于傳統(tǒng)中醫(yī)的中藥湯劑，具有服用、攜帶、儲(chǔ)存方便的特點(diǎn)，對(duì)于相關(guān)疾病的療效也是有喜人的表現(xiàn)。杜仲腰痛丸作為深受患者歡迎的一味中成藥，由岷當(dāng)歸、膠木、大牛膝、明沒藥、土元等共17味中藥組成[33]，在治療腰椎間盤突出引起的腰腿痛方面具有明顯療效；透骨血竭散作為一劑廣泛用于治療關(guān)節(jié)炎、滑 膜炎的中成藥，聯(lián)合來氟米特片對(duì)活動(dòng)期類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者療效顯著[34]。如利用LIBS技術(shù)用于對(duì)中成藥所含元素的測(cè)定，不僅可以判定重金屬含量，更可以對(duì)藥物元素組成定性定量分析，與由疾病引起的機(jī)體元素變化相比對(duì)，將可以為解釋藥物療效及作用機(jī)制提供一種新角度。

當(dāng)然，依據(jù)LIBS對(duì)固體、液體及氣體均可檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，將LIBS技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于機(jī)體尿液、唾液、消化液及膿性分泌物等的檢測(cè)，也必將為內(nèi)科疾病的診療提供新手段。醫(yī)學(xué)發(fā)展無窮無盡，唯有不斷的一次次嘗試與創(chuàng)新，才會(huì)一步步推動(dòng)其進(jìn)步，LIBS技術(shù)作為一種新型的原子發(fā)射光譜分析技術(shù)，相信未來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用定會(huì)更加廣泛。