各位好，今天和大家分享LIBSMapping+RamanMapping双模态联合应用第五期：生物医学与病理学的交叉创新，暨融合LIBS-Raman显微成像用于生物组织微量元素与生物分子结构的关联病理研究。

      摘要：生命过程中的许多疾病与微量元素代谢异常及生物分子结构改变密切相关，然而传统生物医学分析技术往往将元素组学与分子组学割裂研究，难以在组织原位揭示其内在关联。本文提出利用共定位LIBS-Raman显微成像技术，打破这一技术壁垒。该系统可在同一张组织切片上，实现微量元素（如Fe、Cu、Zn、Ca）分布的高灵敏度绘图（LIBS）与生物分子（如蛋白质、脂质、核酸）的“生化指纹”成像（Raman），并在亚细胞水平上进行精准关联。本文详细探讨了该技术在神经退行性疾病、肿瘤代谢、心血管病理等领域的应用前景，阐述了其如何通过揭示元素分布与分子结构的共定位关系，为发现新的疾病生物标志物、理解病理机制提供全新的交叉研究视角，推动精准医学向“多模态”方向发展。

正文：

1. 引言：生物医学中元素与分子信息融合的趋势生命的正常运行依赖于必需微量元素（如铁参与氧输送、锌参与酶催化）的精确调控和生物大分子结构的完整性。其代谢或结构的异常与多种重大疾病息息相关，如阿尔茨海默症（AD）脑中的铁聚集与β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积、肿瘤组织中异常的锌铜代谢与脂质重塑、动脉粥样硬化斑块中的钙化与脂质氧化。然而，现有研究范式多采用离体、 bulk的分析方法，如用原子吸收光谱测量组织匀浆中的元素含量，或用免疫组化观察特定蛋白表达，难以在保留组织空间形态的原位上直接观察“何处”发生了“何种”元素与分子的共同变化。这种空间信息的缺失，限制了对疾病机制深入、直观的理解。

2. 技术方案：实现组织原位多模态化学成像 LIBS-Raman联用系统为这一挑战提供了强有力的解决方案：

• 样品制备：常规的石蜡包埋或冷冻组织切片即可满足要求。为避免LIBS分析中的基体效应，通常建议使用冷冻切片而非石蜡切片，以减少有机物的干扰。
• 数据采集流程：

       1.Raman化学成像：首先对组织切片进行Raman Mapping扫描。拉曼光谱能提供丰富的分子振动信息，无需标记即可生成基于特定生化组分的虚拟染色图像，如：

• 蛋白质：苯丙氨酸峰（1003 cm⁻¹）、酰胺I带（1650 cm⁻¹）。
• 脂质：C-H伸缩振动（2845-2880 cm⁻¹），可区分饱和与不饱和脂质。
• 核酸：磷酸骨架振动（1095 cm⁻¹）。
• 特定病理性沉积物：如β-淀粉样蛋白的特定峰位。

        2. 同点位LIBS元素成像：完成Raman扫描后，系统根据记录的坐标，驱动样品台进行同点位LIBS分析。LIBS能够灵敏地检测几乎所有金属元素，绘制出Fe、Cu、Zn、Ca、Na、K等具有重要生物学意义的元素的分布图。

• 数据关联分析：通过高级图像配准与多元统计分析，将元素分布图与生化分布图进行叠加，寻找统计上显著的空间共定位或互斥模式。

3. 技术优势详解

• 长工作距离适配生物样品与环境：长工作距离物镜允许在组织切片上方留有足够空间，便于对培养皿中的细胞、类器官或带有培养腔的原位池进行分析，为未来活体、动态研究提供了可能性。
• 自动对焦保障组织切片成像质量：组织切片不可避免地存在微小褶皱、厚度不均或切割刀痕。在扫描大面积组织时（如整个小鼠脑切片），自动对焦功能至关重要。它能确保激光焦点始终精准地落在组织平面上，从而获得高对比度、高重复性的Raman和LIBS信号，避免因离焦导致的数据失真。
• 同点位测试的核心价值：建立直接的空间相关性：这是本技术在生物医学应用中无可替代的优势。它允许研究者提出并回答以下类型的问题：
•  “在阿尔茨海默症脑切片中，铁元素（来自LIBS）是否特异性地沉积在β-淀粉样蛋白斑块（其特征Raman光谱）内部及其周围？”
•  “在肿瘤组织中，锌元素的匮乏（LIBS）是否与脂质代谢异常的区域（Raman显示脂质组分变化）在空间上重合？”
•  “动脉粥样硬化斑块中，钙化点（LIBS显示高Ca）与氧化的脂质（Raman特征峰）是否存在共生关系？”

      这种在完全相同位点上将元素与分子信息直接关联的能力，为 hypotheses-driven的研究提供了最直接的证据。

4. 应用前景与预期成果

• 神经退行性疾病研究：研究AD、帕金森病（PD）脑中金属离子（Fe, Cu, Zn）与错误折叠蛋白质（Aβ, α-synuclein）的共定位关系，直接验证“金属离子错误稳态促进蛋白质错误折叠”的假说，并为金属螯合疗法提供理论依据和疗效评估新方法。
• 肿瘤代谢与微环境研究：肿瘤的发生发展伴随着深刻的元素代谢重编程。该技术可可视化肿瘤组织内不同区域（如瘤芯、侵袭前沿、坏死区）的微量元素分布与脂质、蛋白质代谢的异质性，鉴定与肿瘤增殖、转移、免疫逃逸相关的特异性化学特征，发现新的诊断生物标志物。
• 心血管疾病研究：同步分析动脉粥样硬化斑块中脂质组成（Raman）、钙化程度（LIBS-Ca）以及炎症相关元素（如LIBS-Fe），深入研究斑块不稳定性的化学基础，为评估破裂风险和开发稳定斑块的策略提供新见解。

5. 挑战与展望

挑战主要包括：生物样品中有机基体对LIBS信号的干扰；对超痕量元素（如pg级别）的检测灵敏度；海量多模态数据的降维与解析。未来，通过与质谱成像（如LA-ICP-MS,

SIMS）等技术进行更高维度的联用，并结合人工智能驱动的多维数据挖掘，LIBS-Raman技术有望成为病理诊断和生命科学研究中一种强大的互补性工具，推动“化学病理学”这一交叉学科的诞生与发展。

6. 结论

共定位LIBS-Raman显微成像技术成功地搭建了一座连接元素组学与分子组学的桥梁。它首次使得在原生组织环境中，直接可视化并关联微量元素与生物分子的空间分布成为可能。这项技术为理解疾病发生的化学本质提供了前所未有的视角，不仅有望催生新的疾病机制理论，更可能引领发现下一代用于早期诊断和精准治疗的化学标志物，最终为人类健康事业带来新的突破。

      我司新近推出的显微LIBSMapping+RamanMapping双模态光谱测试系统，搭配自动对焦模组，RamanMapping空间分辨率1μm，LIBSMapping分辨率50μm以内，可以对本应用带来帮助，欢迎咨询合作并且在我司官网下载相关资料。

设备介绍

图 1. 显微LIBSMapping+RamanMapping光路示意图。

图2 设备实物图