热点应用丨骨骼样本成分“快照”— 拉曼光谱无损分析

“骨骼”骷髅们，每年万圣节的时候，会装模作样从“坟墓”里爬出来，在我们身边“游荡”…… 我们的骨骼是由坚硬的、代谢活跃的骨组织组成，帮助我们的身体健康运转。这包括，保持和支持我们的体型，允许我们有一个动态的运动范围，保护我们的重要器官免受损伤，产生血细胞，并储存关键营养物质。

骨组织由细胞嵌入细胞外基质组成，细胞外基质主要由胶原蛋白和羟基磷灰石钙晶体组成。正是这些基质中的有机和矿物成分赋予了骨骼强度。尽管它们非常复杂和精致，但事实证明，我们有理由同情我们那些幽灵般的、超自然的骨骼朋友。骨组织容易受到各种疾病的影响，这些疾病有可能大大降低人们之后的生活质量，包括骨质疏松和骨关节炎。这些紊乱导致了骨骼力学特性的变化，反过来，这些变化通过探索其组成和结构，可以被了解。

拉曼光谱

是研究生物组织(如骨骼)一项极好的技术，因为它可以应用于固定和新鲜的样本，只需Z少的样品制备；拉曼光谱允许进行无损化学分析，利用光谱，为我们提供丰富的信息1-3。在本篇中，我们使用爱丁堡共聚焦显微拉曼光谱仪RM5观察不同类型的骨样本。

图1  密质骨组织切片拉曼光谱分析

第 一个样本是一段固定在载玻片上的密质骨组织。密质骨非常坚固、高密度，可以承受弯曲和压缩。它存在于股骨和胫骨等长骨的骨干中。为显示密质骨的横切面和纵切面，特地制作了组织载玻片，如上图A和图B所示。用532 nm激光激发的骨横切面，得到光谱如图C所示。像所有的生物样本一样，该组织在指纹区包含几个特征峰，主要集中在400cm-1到1800cm-1之间，表明碳水化合物、DNA、脂类和蛋白质。此外，在指纹区，还可以观察到与骨矿物中的碳酸盐和磷酸盐阴离子有关的特征峰。然而，它们的强度较低，因为样品是专门用来显示细胞的，矿化程度比未处理的骨样本低。图D和图E显示，在2700cm-1和3500cm-1之间拉曼光谱的高波数区域，有表明生物物质如DNA、脂类和蛋白质的C-H、N-H和O-H伸缩振动峰。

图2  未经处理的牙齿样本的拉曼光谱分析

第二种分析样本是未经处理的牙齿样本，之所以选择它，是因为它与完全矿化的骨头有一些不同。本实验采集了532 nm激发下牙根的拉曼光谱，如图2所示。未处理矿化组织的拉曼光谱可以大致分为指纹区、信号沉默区和高波数区。在图2B中，我们现在可以看到表明矿物成分的特征谱带，如碳酸盐岩和磷酸盐，比密质骨组织的特征峰要强得多。这在960cm-1处Z 强烈的特征峰上得到了很好的证明，这归因于在牙齿和骨头的矿物成分中的磷酸盐基团。

RM5显微拉曼光谱仪

爱丁堡RM5是一款紧凑型的、真共聚焦设计的全自动显微拉曼光谱仪，可以实现超高的光谱分辨率、空间分辨率和灵敏度。RM5的设计基于强大的专业知识和经典光路原理构型，结合现代光学设计，注重功能、精度和速度，在性能和易用性上形成独具一格的现代化显微拉曼光谱仪，标配三个窄带激光器（532nm、638nm、785nm），适用于生物、组织切片类样品的无损分析。

参考文献

1. Unal et al., Compositional Assessment of Bone by Raman Spectroscopy,Analyst, 2021,146, 7444-7470, DOI:10.1039/D1AN01560E.

2. G. Kerns et al., Evidence from Raman Spectroscopy of a Putative Link Between Inherent Bone Matrix Chemistry and Degenerative Joint Disease,Arthritis Rheumatol., 2014,66, 1237-1246, DOI:10.1002/art.38360.

3. Buchwald et al., Identifying Compositional and Structural Changes in Spongy and Subchondral Bone from the Hip Joints of Patients with Osteoarthritis Using Raman Spectroscopy, J. Biomed.Opt., 2012,17, 017007, DOI: 10.1117/1.JBO.27.9.095003.

4. Gaba et al., Raman Spectroscopy in Prostate Cancer: Techniques, Applications and Advancements, Cancers, 2022, 14, 1535, DOI: 10.3390/cancers14061535.