利用SRS顯微鏡對配方產品進行表征分析
從藥品和消費者健康產品到農用化學品和油漆，霜劑、糊劑、凝膠、乳劑和片劑常見于眾多制造領域。為提高有效性以及產品性能和安全性，有必要了解產品中各成分之間的相互作用。具備能評估活性成分的結構、穩(wěn)定性并對其輸送進行可視化的技術對配方產品制造業(yè)而言具有重大價值。
成分分布可視化
受激拉曼散射（SRS）和相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）可提供具有高空間和時間分辨率的無標記化學信息，因此非常適合用于可視化配方產品的結構，包括監(jiān)測單一成分在使用期間的所帶來的結果（包括在使用期間監(jiān)測單一組分的命運）。通過選擇適當?shù)睦灰�，可以從預先存在的單個成分的拉曼光譜（圖1左），或從獲取λ掃描生成的SRS光譜（見下文，以及圖3中的示例）進行SRS對比，從而對單一成分進行成像。
圖1：左：在532nm激發(fā)下獲得的石蠟（紅色）和水（藍色）的自發(fā)拉曼光譜。右：用SRS顯微鏡對商業(yè)水乳劑配方進行成像，以顯示凡士林油相（紅色，2850 cm-1處的CH₂鍵）vs水相（藍色，3400 cm-1處的O-H鍵）。通過簡單地將一小滴樣品置于兩個蓋玻片之間，準備進行正向SRS成像。
除了這些對比波數(shù)外，還應在附近預期無拉曼強度的波數(shù)處獲取“非共振”控制圖像（見圖2中的示例），從而確保檢測到的信號基于拉曼光譜，并能識別任何雜散信號，如激光吸收產生的偽影。在各成分/相的所需波數(shù)下獲得圖像后，可將圖像合并成一個復合圖像，從而了解材料中不同成分之間的關聯(lián)性。除了SRS對比，還可通過使用二次諧波生成或熒光等方法來同時成像，獲得其他結構信息。圖2中的圖像顯示了用SRS顯微鏡成像的防曬霜樣品中油vs水的相位分布，以及用SHG可視化的氧化鋅顆粒。
圖2：用SRS和SHG顯微鏡對防曬霜配方進行成像，用正向SRS顯示油相vs水相，用epi-SHG顯示氧化鋅顆粒分布。
生成SRS光譜以提供化學和結構信息
SRS光譜可通過執(zhí)行λ掃描來生成，在此期間，SRS圖像在泵浦光束的波長上以非常小的增量被捕獲，以生成跨越感興趣波數(shù)范圍的圖像棧。圖3顯示了在含有多種活性成分的皮膚用藥物配方上獲得的這種λ掃描圖像棧。當泵浦光束掃過與拉曼光譜的指紋區(qū)相對應的波長時，不同的成分依次受到激發(fā)，因為其波數(shù)受到刺激。獲得這些圖像棧后，可立即選擇相關特征來生成感興趣區(qū)域（ROI）。從這些ROI中，通過繪制ROI SRS信號強度和泵浦光束波長（可轉換為波數(shù)）的關系，生成SRS光譜。有時，為波長堆棧中所有圖像生成最大投影有助于在一張圖像中實現(xiàn)所有特征的可視化，確保不會遺漏任何重要特征。
皮膚用藥物配方的SRS λ掃描圖像堆棧。
圖3：左：皮膚用藥物配方的SRS λ掃描。從顯示的圖像棧中創(chuàng)建的最大投影圖像，注釋描述了ROI。在約2000 cm-1至1000 cm-1的范圍內，以泵浦光束的0.1 nm增量獲取圖像。右：各ROI的SRS光譜根據(jù)SRS信號強度和波長繪制而成。
從λ掃描中生成SRS光譜后，可立即將這些光譜與單一成分的自發(fā)拉曼光譜進行比較。將光譜信息與圖像中的形態(tài)信息相結合，對配方的問題分析具有重大價值，如識別是否存在多晶、共晶或氧化產物。
皮膚中成分滲透的可視化
除了分析配方本身的特性外，SRS顯微鏡也可用于對單一成分使用后帶來的最終結果進行可視化。例如，監(jiān)測化學品在皮膚中的滲透，這在藥物輸送和化學風險評估中具有極其重要的應用價值。圖4顯示了4-氰基苯酚給藥后皮膚的圖像。將組織冷凍切片，用SRS成像，以在2235 cm-1（品紅色）處通過腈基官能團的對比來顯示這種化合物的分布。在2850 cm-1處使用CH2鍵振動模式（紅色）、在1666 cm-1處采用酰胺I（藍色）以及使用SHG通道的膠原蛋白分布（綠色），對皮膚結構進行可視化。
圖4：4-氰基苯酚給藥后的豬皮膚的正向SRS和Epi-SHG合成圖像。在2850 cm-1處使用CH2鍵振動模式（紅色）、在1666 cm-1處采用酰胺I（藍色）以及使用SHG通道的膠原蛋白分布（綠色），對皮膚結構進行可視化。在2235 cm-1處采用腈基官能團顯示4-氰基苯酚的分布（品紅色）。*
由于SRS信號與濃度呈線性關系，因此有可能通過圖像分析提取某些定量信息，例如，化學物質的相對濃度和皮膚深度。對于在同一共焦平面上成像的物理截面，該操作合理且簡單。然而，當對三維標本進行成像時，必須對激光散射和隨著深度增加產生的吸收所致的信號損失進行校正。
試圖對不含獨特化學官能團的化學物質進行成像時，有時很難獲得特定的對比度。在這種情況下，對感興趣的分子進行氘化，可幫助將峰值轉移到拉曼光譜的生物“沉默”區(qū)域，該區(qū)域的組織中幾乎無自然存在的信號。這種方法可便于對敏感和化學特異性成分進行可視化，而無需引入會擾亂物理化學特性，從而擾亂藥代動力學特征的熒光基團。另外，還可采用多變量數(shù)據(jù)分析方法，對不同成分進行光譜拆分。
致謝
衷心感謝“分析化學信托基金”和“分析測量科學共同體”的支持。
*數(shù)據(jù)通過與英國巴斯大學的Richard Guy教授小組合作獲得。本研究的資金部分由美國食品藥品監(jiān)督管理局資助（1U01FD006533-01）。所有觀點不一定反映美國衛(wèi)生與公眾服務部的官方政策；提到任何商品名稱、商業(yè)慣例或組織也不一定獲得美國政府的認可。
參考文獻：
· Saar BG, Contreras-Rojas LR, Xie XS and Guy RH (2011). Imaging drug delivery to skin with stimulated Raman scattering microscopy. Molecular Pharmaceutics. 8, 969-75.
· Belsey NA, Garrett NL, Contreras-Rojas LR, Pickup-Gerlaugh AJ, Price GJ, Moger J and Guy, RH (2014). Evaluation of drug delivery to intact and porated skin by coherent Raman scattering and fluorescence microscopies. Journal of Controlled Release, 174, 37-42.
· Chiu WS, Belsey NA, Garrett NL, Moger J, Delgado-Charro MB and Guy RH (2015). Molecular diffusion in the human nail measured by stimulated Raman scattering microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 112, 7725-7730.
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