无标定激光诱导击穿光谱技术(CF-LIBS)在猪组织等离子体诊断中的突破：实现多元素多组织标准化检测

为解决手术中肿瘤组织残留导致的癌症复发问题，德国埃尔朗根-纽伦堡大学团队开展Calibration-free LIBS(CF-LIBS)研究，首次在猪皮肤/肌肉/脂肪组织中验证光学薄等离子体、局部热平衡(LTE)和化学计量烧蚀三大标准，建立1600ns普适延迟时间，为术中实时组织鉴别提供新方法。

　　

癌症手术中肿瘤边界的精准识别一直是临床重大挑战。国际癌症研究机构数据显示，全球癌症发病率持续攀升，其中约30%的术后复发源于肿瘤组织残留。传统依赖外科医生肉眼判断的方法存在主观性强、精度不足等问题，而现有病理检测又耗时过长。更棘手的是，恶性与良性组织的元素组成差异虽已被发现——例如肝癌组织中锰(Mn)、铜(Cu)等微量元素浓度变化显著——但缺乏快速、精准的术中检测手段。

这一背景下，德国埃尔朗根-纽伦堡大学(FAU Erlangen-Nürnberg)的Edith B?hmer团队在《Talanta》发表突破性研究。他们选择解剖结构与人类高度相似的猪组织（腹部皮肤、肌肉、脂肪）为模型，采用无标定激光诱导击穿光谱技术(Calibration-free Laser-induced Breakdown Spectroscopy, CF-LIBS)，通过优化Q开关Nd:YAG激光系统（波长532nm，脉冲能量80mJ）参数，首次系统验证了生物组织检测中三大等离子体标准：光学薄等离子体、局部热平衡(Local Thermodynamic Equilibrium, LTE)和化学计量烧蚀的可行性。

关键技术包括：1）延迟时间扫描（600-2600ns，步长50ns）确定最佳信号窗口；2）基于NIST数据库的Boltzmann曲线法计算等离子体温度；3）通过Saha-Boltzmann方程与McWhirter准则比对验证电子密度。研究特别关注钙(Ca)、钠(Na)、碳(C)和镁(Mg)四种元素，因其在生物组织中含量丰富且具有特征性光谱峰。

延迟时间优化
通过测量强度比与理论值的平均相对误差(MRE)，发现皮肤组织中Ca最佳延迟时间为800ns（MRE=0.0006），而肌肉组织需要2300ns。值得注意的是，标准化延迟时间1600ns对所有组织类型的综合MRE仅为0.1305，证明单一参数适用于多组织检测的可行性。

等离子体温度诊断
Boltzmann曲线显示，皮肤组织中Ca等离子体温度达10774K（R²=96.66%），肌肉组织中Na温度异常高达14186K。特别关键的是，所有元素的Saha-Boltzmann电子密度（如皮肤Ca为2.6688×10²⁷ cm^-3）均超过McWhirter准则要求（1.6608×10¹¹ cm^-3），证实LTE状态成立。

组织特异性光谱特征
脂肪组织独有铁(Fe)特征峰（3159K），而皮肤中Ca谱线强度显著高于其他元素。肌肉组织则呈现典型的Na/K双峰，这与肌纤维收缩的生理机制高度吻合。

该研究突破性地解决了CF-LIBS在生物组织中应用的三大瓶颈：组织表面不平整（通过冷冻样本改善聚焦）、元素谱线复杂（优选非共振谱线）、延迟时间不统一（确立1600ns普适参数）。研究团队特别指出，猪表皮与人类皮肤相似的厚度（约2mm）使实验结果具有直接临床参考价值。

这项成果为实时术中组织鉴别开辟了新途径：外科医生未来可能通过LIBS探针即时获取切除边界的元素组成数据，结合Ca/Cu等恶性肿瘤标志元素的浓度梯度，实现亚毫米级精度的肿瘤边界定位。更深远的意义在于，该方法摆脱了传统LIBS对标准样品的依赖，使得在复杂手术环境中快速获取定量数据成为可能。正如作者强调的，这是首个在多种哺乳动物组织上全面验证CF-LIBS等离子体标准的研究，为将该技术从实验室推向手术室奠定了理论基础和技术标准。