Libs元素分布成像技术在医学和动物学中的应用

Libs元素分布成像技术在医学和动物学中的应用

LIBS技术（解释及其优势见后附）能够对包括轻元素在内的全元素进行快速、实时的分析，得到元素高分辨率成像甚微分辨率成像，并且无须预处理、实验成本低，因而“掀起了化学分析方法的革命”。分析方法的突破为医学和动物的科研领域带来了新的进展。

人体中经常缺乏硼、钙、铬、铜、铁、硅、锌等微量元素，但这些元素对于人体健康非常重要。而铝、镉、铅、汞等元素即使含量极低也会影响维生素和矿物质的吸收和代谢，因而具有毒性。因此，元素分析具有非常重要的生物学、药学、骨骼和牙齿医学的意义。早在1999年，Lightigo团队的领头人Jozef Kaiser教授等即已发表将LIBS技术应用于人体样本分析的文献，样品取自人的指甲、皮肤和牙齿等，方便易取、无须预处理、实验速度快并且能够得到丰富的数据和Mapping信息。Kaiser教授等人发现，在皮肤和指甲样品中，接近预期的主要是钙元素和铝元素；而在牙齿的元素分析中，检测到的铝元素含量超出生物和医学样品的平均期望值，并且检测到了钛元素。其原因是：牙齿样品的提供者使用的牙膏含钛元素，并且铝元素含量较高，经长期使用渗透入了牙齿中。在牙齿中还发现了铬元素，但高于牙膏的铬浓度，尚不能定论是否由于铬元素的富集。令人惊讶的是，牙齿中检测到了锆元素。

下方是利用LIBS技术做出的牙槽骨粘连的牙齿切面的Ca、Mg、P等元素的定性定量分布图。检测面积为22×10 mm²、分辨率为100微米、220×100矩阵共22 000个测量数据。得到的元素含量分布Mapping图像，可为分析牙齿病变与特定元素的富集、牙齿结构与元素分布的关系提供支撑，也为元素吸收与生理健康的研究提供了前景的分析工具。

除此，在生物领域的研究中，早期发表的涉及到牙齿、指甲、皮肤等样品的LIBS分析文献还有：

1. Kaiser J, Novotny’ K, Martin MZ, Hrdlicˇka A, Malinaa R, Hartl M, Adam V, Kizek R (2012) Trace elemental analysis by laser-induced breakdown spectroscopy—biological applications. Surf Sci Rep 67:233–243

2. Samek O, Beddows DCS, Telle HH, Kaiser J, Liˇska M, C’aceres JO, Gonz’ales Ure˜na A (2001) Quantitative laser-induced breakdown spectroscopy analysis of calcified tissue samples. Spectrochim Acta B 56:865–875

3. Hrdlička A, Prokeš L, Staňková A, Novotný K, Vitešníková A, Kanický V, Otruba V, Kaiser J, Novotný J, Malina R, Páleníková K (2010) Development of a remote laser-induced breakdown spectroscopy system for investigation of calcified tissue samples. Appl Opt 49:C16–C20

4. Samek O, Liska M, Kaiser J, Beddows DCS, Telle HH, Kukhlevsky SV (2000) Clinical application of laser-induced breakdown spectroscopy to the analysis of teeth and dental materials. J Clin Las Med Surg 18:281–289

5. Galiová M, Kaiser J, Fortes J, Novotný K, Malina R, Prokeš L, Hrdlička A, Vaculovič T, Nývltová M, Svoboda J, Kanický V (2010) Multielemental analysis of prehistoric animal teeth by laser-induced breakdown spectroscopy and laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry. Appl Opt 49:C191–C199

6. Samek O, Liska M, Kaiser J, Krzyzanek V, Beddows DCS, Belenkevitch A, Morris GW, Telle HH (1999) Laser ablation for mineral analysis in the human body: integration of LIFS with LIBS. Proc SPIE 3570:263

7. Samek O, Beddows DCS, Telle HH, Morris GW, Liska M, Kaiser J (1999) Quantitative analysis of trace metal accumulation in teeth using laser-induced breakdown spectroscopy. Appl Phys A 69:S179–S182

医学和生物学的科研应用永远需要更为丰富详尽和更为稳定可靠的数据。所以此后，不仅具有全自动“移动-测量-移动……”Mapping技术，更开发了全自动快速Mapping技术：下图是将LIBS测量速度提升20Hz的数据对比，可见快速Mapping模式可为医学和生物学研究提供更高的效率、更多关重要的信息、更多的可能性。如今LIBS快速Mapping可以做到50 HZ甚100HZ（取决于配置。）

猪腿骨横切面Ca元素Mapping---速度提高为6倍后方可在可行的时间内采集到真正关键的信息：

猪大腿骨横切面Ca元素Mapping测量—速度提高6倍前后的分析面积的对比

下图为小鼠肾脏横切的元素Mapping：LIBS速度远高于LA-ICP-MS，因而可在更短的时间内实现更高的分辨率，获得更多的关键信息：

此外，Libs技术同μCT相结合，研究元素在病变切面的分布异常情况以及病变体的3D结构的改变。

如下图所示，a. 健康的蛇脊椎骨横切μCT图像；b. 病变的蛇脊椎骨横切μCT图像；c. 蛇脊椎骨3D图像 ；左下为健康的蛇脊椎骨横切面磷元素Mapping图像；右下为病变的蛇脊椎骨横切面磷元素Mapping图像。

libs技术应用于免疫标记检测：在96孔板中定性定量测定量子点标记，创建了人血清白蛋白的Tag-Libs三明治免疫分析法。因其灵敏度高（10 ng·mL⁻¹，相当于荧光免疫技术）、通用性强（可检测几乎所有种类的量子点）、速度快因而能够全自动检测、可同时检测多种元素所以可实现生物标记的多路检测等优势，有望替代其他生物免疫标记测量方法。

如下图所示，在银量子点浓度非常低（DY行图）、标记物体积非常小（第二行图）的条件下，仍然能够很容易的进行标记物定性定量检测：

本例引自：Modlitbová P, Farka Z, Pastucha M, Pořízka P, Novotný K, Skládal P, Kaiser J.Laser-induced breakdown spectroscopy as a novel readout method for nanoparticle-based immunoassays, [J] Mikrochim Acta. 2019 Aug 16;186(9):629. doi: 10.1007/s00604-019-3742-9

现今，LIBS技术已经越来越广泛的应用于医学和动物样品的检测，例如通过对药品、食品或者有毒物质和进食个体的毛发、指甲等的比照元素分析，研究人类和动物对元素的吸收和利用规律以及病理分析等。此外，将LIBS技术应用于肿瘤研究判断手术切除效果、以及癌症的检测是另一个LIBS的重要应用方向。比如在脑癌肿瘤切除后需要快速鉴定是否切除干净，LIBS技术则是快速检测的独特有力手段。

当前研究团队正在进行将LIBS技术应用于皮肤癌检测的研究：癌变细胞与正常细胞的元素构成有差异，从而通过LIBS技术检测肿瘤组织的元素特征，应用于医疗诊断。

附：

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