基于超快激光脉冲整形技术选择激发血液光谱以实现癌症的早期诊断

Cancer is one of the significant diseases that threat human life and health. The key to cancer cure lies in early detection, early diagnosis and early treatment. Because of the concealment of precancerous lesion and hardly discovery of early carcinoma, early diagnosis of cancer has been the difficult point and focus of life science. In our project, with the application of quantum coherent control to biological tissue, a innovative diagnosis technology of early carcinoma is proposed. With the combination of ultrafast laser pulse shaping technique and ultrafast time-resolved laser spectroscopy, selective excitation of coherent anti-Stokes Raman scattering spectrum and fluorescence spectrum of cancerous serum is studied both experimentally and theoretically, and the characteristic spectrum of tumor marker can be enhanced effectively, so that a new diagnosis technology of early carcinoma can be obtained.

癌症是威胁人类生命健康的重大疾病之一。癌症治愈的关键在于癌症的早期发现、早期诊断和早期治疗。由于癌前病变的隐蔽性和癌症早期发现的困难性，癌症的早期诊断一直是生命科学研究的难点和热点之一。本项目拟将量子相干控制思想应用于癌症的早期诊断，具体方案为：将超快激光脉冲整形相干控制技术与超快时间分辨激光光谱技术结合在一起，从理论和实验两方面研究癌症血清的相干反斯托克斯拉曼光谱和荧光光谱的选择激发，实现含量极低的癌症标志物的特征谱峰的选择增强，探索出一套创新性的癌症早期检测和诊断方案。

根据我们的研究计划和预期研究目标，本研究团队积极开展相关研究工作。实验方面，建立了飞秒激光器和傅立叶变换4f 脉冲整形器构成的飞秒激光脉冲整形系统实验装置；理论方面，利用含时微扰理论建立了分子体系中多光子吸收过程的理论模型。通过调制飞秒激光脉冲的频谱相位，实验上实现了激光染料溶液中双光子荧光的增强、抑制和选择激发。通过理论分析及计算，分子体系内双光子吸收过程中不同量子路径之间的相干相长和相干相消是引起分子荧光增强、抑制的主要原因。通过对飞秒激发光进行偏振调制，实验上实现了掺铒纳米晶颗粒中上转换发光的抑制，并对其控制机理进行了理论分析，证实：偏振调制主要受近共振双光子吸收过程的影响，而与共振双光子吸收、能量传递上转换、激发态吸收过程无关。通过对飞秒激光脉冲同时进行偏振和相位的调制，从实验和理论两方面研究了稀土离子中上转换荧光的增强、抑制以及控制效率的研究。此外，通过对不同波长的飞秒激发光脉冲进行相位调制和偏振调制，实验上实现了绿色荧光蛋白溶液中多光子荧光的增强和抑制。这些研究成果为将来生物大分子、生物细胞的精密控制和精确测量提供理论和实验基础。项目完成中标注该项目资助学术论文4篇，其中包括Physical Review A、Chinese Physics B等国际主流刊物，培养硕士研究生2名。