小中大 在生命过程的研究中，近红外光谱被用于测定脑血流量和脑血管中CO2的活性，人体肌肉组织在运动中的氧化代谢等等。肌红蛋白存在于心肌和骨骼肌中，参与细胞间的氧的传递，用可见光测定时，无法穿透组织，只能测定表面状况，而近红外对组织的穿透性使研究肌肉中的肌红蛋白成为可能。Kenneth 等[9]据此用透射光谱测定了在血红蛋白存在下的肌红蛋白溶液的不同含氧程度，并用反射光谱对模拟组织情况的溶液进行了研究，校正后的模型对肌红蛋白含氧量的预测误差为2% 。亚皮秒时间分辨近红外吸收光谱被用于研究肌红蛋白中亚铁血红素的电子弛豫和热弛豫动力学，以供进一步研究亚铁血红素蛋白质配合物的光分解[10]。
3.2 生物体组织的研究
皮肤中水分的测定。近红外可穿透致密的皮肤组织0.15～0.20mm，从而可以非介入地研究真皮组织。Dreassi等[11]发表了系列报告，通过水分和类脂的近红外光谱变化研究了正常皮肤和萎缩皮肤，以及它们和几种化学物质的相互作用。研究表明，使用近红外光谱只需简单的接触即可区分正常和萎缩皮肤，并可研究不同病变皮肤对化学物质的不同相互作用。Kathleen[12]用近红外反射光谱研究了皮肤中的水分，指出皮肤中水分以四种不同形态存在，并提示用近红外可以研究药物的透皮吸收。
脑组织的研究。Tamura[13]发现700～1000nm的近红外光具有更强的组织穿透性，对活体组织的透过深度可达几个厘米，并且这一波长段的光的吸收主要由几个生色团引起。他将这一发现用于鼠脑组织的原位研究，用光纤传输单色光，通过吸收光强度的变化来研究脑组织。该结果对脑休克的机理和药物治疗以及由于组织缺氧引起的脑和其它器官的供氧不足很有意义。Kusaka[14]等用连续近红外光谱研究了新生小猪脑组织中血红蛋白的氧化态和细胞色素c氧化酶的还原态。近红外光谱还被用于研究人体姿势变化时，脑组织含氧状况的敏锐变化。
3.3 临床医学
近红外光谱在临床常规分析中的最大优势在于其对组织的透过性好，能够进行体外或在体的非破坏、非介入分析。主要有全血或血清中血红蛋白载氧量、pH值、葡萄糖、尿素等含量的测定。
Kuenstner和Norris[15]提出了“近红外血红蛋白测定法”(near-infrared hemoglobinometry)，将近红外光谱用于人血液样品的分析。他们将样品置于一敞口池中，采用垂直光路以2nm间隔扫描得到 400～2500nm范围的光谱，结果相当精确，标准差为3.2g/L。
血液的pH值的常规测定方法为电化学方法，需要血管穿刺。血液的pH值与血红蛋白中组氨酸残基有关，而组氨酸可在近红外光谱中反映出来，因此可用近红外进行血液pH值测定。Alam等进行了溶血溶液中pH值的研究，随后又对全血pH值进行体外测定[16]，为近红外非介入测定血液pH值奠定了基础。
Hall等[17]对经脱水处理的干血清中尿素的含量进行了测定，并与血清样品不经脱水直接测定的结果进行比较，表明对干血清的测定结果并不优于直接测定，但回归分析有所简化。Domjan[18]等进行了全血和血清中蛋白质、类脂的定量分析，并与溶解于缓冲溶液中的白蛋白和球蛋白进行了比较。结果表明近红外光谱可以对全血和血清进行快速、有效、价廉的分析。对用近红外光谱进行尿液中尿素、肌氨酸酐和蛋白质的定量分析也有报道[19]。 血糖的非介入检测可以说是近红外光谱在血液分析中应用研究最多的一个方面。葡萄糖在近红外谱区(700～1800nm)有明显吸收，因此近红外光谱非常适合葡萄糖的非介入检测，并且采用近红外方法不使用酶，无须复杂的制样过程，简便快捷，能进行连续监测。Spanner等[20]研究了用近红外光谱为糖尿病人研制连续非介入式血糖监控仪的有关问题。他们开发出的仪器是将光声感应探头通过光纤束与含有8个激光二极管的二极管阵列耦合在一起，激光二极管阵列可调制出不同波长的近红外光，光声感应探头则适宜作生物组织的非介入检测。该仪器对全血中葡萄糖浓度的微小变化十分敏感，对血糖的测定精度与临床使用的连续血糖监控仪十分接近。非介入近红外光谱血糖传感器的设计已有专利[21]。Mueller等[22]也提出用近红外进行非介入血糖监测，并提供了可以提高模型可靠性的校正方法。在2000年匹兹堡会议上，Toshiyasu等[23]发表论文，在使用流动池连续分析的条件下，研究模型对基线漂移和其他成分干扰的排除，以得到稳定可靠的模型。
Afromowitz等[24]开发了一种烧伤分析系统，首先用宽通带滤镜分离伤口散射的光(部分为近红外光)，而后进行数学处理，将伤口分为“可很快愈合”、“较慢愈合”两类，结果表明该系统对伤口愈合情况的预测比医生的预测更准确，从而可以最大限度地减少伤口愈合后的变形。近红外光谱在临床医学中的重要应用还包括大脑功能研究、心血管疾病及癌症的辅助治疗，目前这些问题多采用近红外成像技术进行研究，在下面一节中单独介绍。
3.4 近红外成像
近红外成像技术是近年来颇为活跃的一个研究热点，除了在工业、遥感、天文等领域的应用外，更是受生物医学领域重视的一种新的成像方法。其基本原理仍是基于近红外光对人体组织的一定的穿透性和对血红蛋白的选择性吸收。最主要的应用要属脑血流量和脑功能的研究。当大脑受刺激时，近红外光谱能在体测量大脑额叶血流量变化，进而可用于脑功能参数的测量。使用近红外进行脑功能成像时，一些光纤头固定在研究对象的头皮上，光束透过颅骨由组织产生光散射后，一些光束射出，由距光源几公分远的光学传感器检测并在计算机上成像。研究过程中，对象无须保持躺姿，因而更接近实际情况，且此方法具有价格低廉、非介入、实时连续等突出的优点，因而受到国际神经生物学界的广泛重视，被认为是对功能性磁共振成像(FMRI)、正电子发射断层扫描(PET)等方法的重要补充。美国密苏里州立大学的神经学成像专家Gratton研究的实验小组研制的事件相关光学信号系统(EROS)即是用近红外光直接对大脑的神经活动成像，其价值基本费用花费不超过5万美元，远远低于FMRI设备每特斯拉100万美元的价格[25]。目前，近红外脑功能成像被用于脑损伤及康复、癫痫疾病以及大脑语言优势的研究[26]等等。国内，华中科技大学的骆清铭等正在开展用近红外光谱方法进行脑血流量和脑功能成像的研究[27]。除脑部成像外，由于近红外可检测血管中存在的不同密度的脂蛋白，因而近红外心血管成像被用于心血管疾病如粥样血管硬化、中风等的研究。文献[28]对此方面的原理和仪器应用有较详细的介绍。在癌症诊断方面，近红外成像被用于乳腺肿瘤的辅助诊断，现已在临床实际应用，并日趋普及。
4 展望
从上述的各类项研究不难看出，近红外光谱是凭借着其快速、非介入、非破坏、多组分同时测定等优势而进入生物医学领域中的。由于生命过程和生物体本身的复杂性、诸多影响和限制因素以及对测定结果较高的要求，这一领域使用的近红外光谱仪往往更复杂、可靠性要求更高。特别是近红外成像技术，要求激光、和复杂的成像算法。这也许是近红外光谱进入这一领域相对较晚的原因。目前，近红外光谱在生物医学中的应用还基本处于探索、开发和评估阶段中，与其在农业上的成熟应用相比还有一定差距，但其独特的优势已为生物医学工作者提供了新的契机。随着近红外技术、计算机技术、光学技术等的不断发展，研究的不断深入，近红外技术将在生物医学领域中充分发挥出潜力，有望在探索生命过程的奥秘，以及重大疾病预防、诊断、处理上起到更多的实际作用。
