基于表面增强拉曼光谱检测技术的肺癌早期诊断研究

表面增强拉曼光谱技术是近年来快速发展的一种痕量特征标记性物质检测技术,以提高检测灵敏度为目的的表面增强拉曼光谱技术非常适合于生命科学研究。本文利用表面增强拉曼光谱技术对肺癌患者及正常人的唾液样本进行检测,并进行光谱分析,建立了肺癌患者唾液样本的实验模型,对该模型系统分析可为肺癌诊断提供辅助依据。统计学分析效果良好,并发现了分类比较明确的特异性波段1015cm-1～1070cm-1和1250cm-1～1280cm-1。在找出的12个特征峰的基础上应用K-均值方法验证了其判别准确性,结果提示提取的12个特征峰有一定的代表性,能够代表近2000个波数的拉曼光谱图,灵敏度较特异度高,说明该方法适合预防性筛查工作。     

基于唾液的表面增强拉曼光谱技术诊断肺癌的研究

本文利用表面增强拉曼光谱技术对18个健康人和59个肺癌患者的唾液样本进行检测,发现肺癌患者唾液比正常人唾液谱线相对强度整体变弱,集中反映在蛋白质分子和核酸分子结构的变化。用主元分析(PCA)和线性判别(LDA)方法,对两组数据进行降维和分类,其灵敏度为83.1%,特异性为83.3%,准确度为83.1%。研究结果表明,表面增强拉曼光谱技术有可能成为一种新型的肺癌诊断工具。     

鼻咽癌患者唾液的表面增强拉曼光谱研究

表面增强拉曼光谱(SERS)技术是一种快速、有效、无损的光学诊断方法,能提供生物分子成分和结构的指纹特征。人的唾液包含多种能反应人体健康状况的生物标志物。采用纳米银溶胶为增强基底的SERS技术,从46位鼻咽癌患者、30位鼻炎患者和48位健康人的唾液样本中采集了208条高质量的SERS。研究结果表明鼻咽癌患者、鼻炎患者和健康人的唾液SERS之间存在明显差异。利用主成分分析结合线性判别分析(PCA-LDA)对采集的唾液SERS进行诊断研究,获得灵敏度分别为89.5%,93.0%和100%,特异性分别为94.6%,96.7%和97.7%。研究结果表明：唾液SERS技术结合PCA-LDA分析方法可能快速、有效区分鼻咽癌、鼻炎患者与正常人的唾液样本,具有鼻咽癌无损检测和临床筛查的潜能。     

表面增强拉曼光谱技术检测新型冠状病毒刺突蛋白

开发具有高灵敏度、高准确性的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)快速检测技术对疫情防控具有重要作用。本文利用表面增强拉曼光谱(SERS)技术对人体唾液中的痕量SARS-CoV-2病毒刺突蛋白(S蛋白)进行了检测。结果表明,含S蛋白的唾液样本与原始唾液样本的拉曼光谱具有显著区别,含S蛋白的唾液样本谱图中可清晰观察到属于S蛋白的拉曼谱线。该结果为后续SERS技术在SARS-CoV-2病毒快速检测方面的应用奠定了坚实基础。     

拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展

拉曼光谱是基于拉曼散射效应而发展起来的一种光谱分析技术,体现的是分子的振动或转动信息。由于拉曼光谱技术与常规化学分析技术相比,具有对样品无损、样品制备简单和所需样品量少等特点,广泛用于生物大分子结构变化的研究。拉曼光谱不仅可以用于蛋白质、核酸和脂类等生物大分子损伤的快速检测,而且可以用于癌症的诊断与手术治疗。通过对比正常组织与癌变组织的拉曼光谱,可以找到两种组织特征吸收峰的差异,从而为癌症的最终确诊和确定肿瘤切除范围提供重要信息。文章综述了拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展,介绍了利用表面增强拉曼光谱、傅里叶变换拉曼光谱和紫外共振拉曼光谱等技术在检测蛋白质二级结构、膜脂及DNA损伤中的应用,并展望了未来拉曼光谱技术的发展前景。     

拉曼光谱技术在病理诊断中的研究进展

拉曼光谱技术能够提供与物质特定分子结构相关的光谱信息,可用于识别生物组织微小的生化变异,具有快速、实时、无损、无需样本预处理等优点,在临床病理诊断领域极具应用前景。与常规组织病理学分析相比,拉曼光谱技术能够直接检测活体组织,简化了分析程序,缩短了诊断时间。人体病变组织的细胞分子组成和结构可能发生变化,这为拉曼光谱技术在组织病理诊断中的应用提供了检测依据。基于组织分子组成与结构的差异,结合机器学习和化学计量学方法,拉曼光谱技术可以提供客观的诊断信息,实现快速、低侵入的病理诊断。回顾了近十年来拉曼光谱技术在组织病理诊断中的研究进展,对取得的关键成果进行了总结,阐述了当前离体和活体应用拉曼光谱技术的一些关键问题。针对离体拉曼光谱检测,重点评估福尔马林固定石蜡包埋样本、冷冻样本和新鲜组织样本等离体样本的适用情况;阐述拉曼光谱数据收集的关键技术,包括适用光源、光谱范围,以及病理样本光谱采集的方式等。对于活体拉曼光谱检测,重点介绍了活体检测研究中拉曼光谱技术应用的两种形式：结合医用内窥镜进行体内检测,以及开放手术中的直接检测;综述了临床适用的拉曼系统,重点介绍了当前活体拉曼研究中应用的光纤探头。同时,文章也讨论了拉曼光谱数据的处理与分析方法,通过光谱预处理,特征提取与分类识别,构建拉曼光谱病理诊断模型,在小样本范围能够获得较好的诊断结果。考虑临床实际应用,仍需要不断优化分析方法,实现拉曼光谱与生化信息的关联,将样本个体差异的影响纳入分类模型中,以提升模型性能。文章对拉曼光谱应用于病理诊断中的关键问题进行了讨论,为进一步开展研究提供参考。未来需要更深入和广泛地开展离体和活体研究,以促进拉曼光谱技术在临床中的应用。     

表面增强拉曼光谱快速检测尿液中的尿酸

表面增强拉曼光谱是一种表面灵敏度极高的“指纹”光谱技术,检测限可达单分子级别。它可以实现痕量物质的特异性识别及快速、无损检测,广泛应用于生命科学、电化学、环境安全等领域以及人们的日常生活中。通过种子生长法成功地实现了形貌均匀、尺寸可调的球形金纳米粒子的制备,并以此作为增强基底进一步探索其粒径对尿酸拉曼谱峰强度的影响。结果表明,金纳米粒子的尺寸显著影响其拉曼增强能力。在研究范围内,随着金纳米粒子尺寸的增加,其拉曼增强能力逐渐增加。在激光波长为638 nm时,150 nm的金纳米粒子具有最优的拉曼增强能力。这使得它们可适用于尿酸溶液的快速高灵敏度分析,检测限可达0.01 mmol·L-1。进一步的研究还表明,该方法可用于痕量尿酸的定量检测。在0.01～0.5 mmol·L-1范围内,尿酸的浓度与其特征拉曼峰640 cm-1处的峰强度之间呈线性关系,线性相关系数达0.98。将该方法用于真实样品(正常人体尿液)的快速检测,发现该方法不受尿液中其他成分的干扰,可以实现人体尿液中尿酸含量的快速测定。研究结果表明,以金纳米粒子作为基底的表面增强拉曼光谱方法可方便、快速地对尿液中尿酸的含量进行分析,极大地拓展了表面增强拉曼光谱在临床上的应用与研究。     

拉曼光谱及其检测时样品前处理的研究进展

拉曼光谱具有操作简单,所需样本量小,检测灵敏度高等特点,可进行现场快速筛查、检测及鉴别。样品前处理直接影响分析结果的准确度和精密度,而且操作繁琐费时。发展快速、高效的样品前处理技术进而结合拉曼光谱检测技术具有重要的研究意义,特别是与增强拉曼光谱相结合进行食品、农产品中等残留物的衡量检测已成为研究热点。本文阐述了拉曼光谱产生的原理,介绍了拉曼光谱的起源和发展,讨论了表面增强拉曼光谱技术、针尖增强拉曼光谱技术和壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱技术,并对拉曼检测之前的样品预处理进行了讨论。     

便携式拉曼光谱仪快速检测唾液中盐酸吡格列酮的含量

人体唾液与血液中的相应成分有着密切关系。利用唾液代替血液进行检测,可极大地缩短分析时间、减少检测限制、降低安全隐患等,因此在临床医学、毒品管控等方面均有重要意义。发展了便携式拉曼光谱仪利用表面增强拉曼光谱技术快速定量检测唾液中盐酸吡格列酮(口服降血糖药物)含量的方法。借助纳米金溶胶的表面增强拉曼散射效应,在激发光源波长为785 nm时,可以得到低浓度盐酸吡格列酮的高质量拉曼光谱图。同时,不同浓度盐酸吡格列酮表面增强拉曼光谱分析结果表明,该方法还可直接用于唾液中盐酸吡格列酮的定量检测。盐酸吡格列酮含量与其特征峰强度线性相关,相关系数为0.992 3,且最低检测浓度达10 μg·L-1。     

油纸绝缘老化状态判别的拉曼光谱特征研究

获取能准确反映油纸绝缘老化的有效特征量,对实现油纸绝缘老化的准确诊断具有重要意义。表面增强拉曼光谱技术在油纸绝缘老化诊断领域已表现出一定的应用潜力。对25#矿物变压器油和普通牛皮纸构成的油纸绝缘试品进行了加速热老化实验,结合共聚焦拉曼光谱检测平台和银纳米片表面增强基底获取其拉曼光谱信号,从多种角度提取了拉曼光谱特征量。使用竞争性自适应重加权算法在提取出光谱的关键变量,其结果对应了油纸绝缘老化特征物的主要特征峰;使用VOIGT函数对光谱进行解析,解析峰的轮廓参数与油纸绝缘老化程度之间呈现相关性;以绝缘纸聚合度为依据将样本进行老化程度分类,光谱的前8个主成分及其载荷不仅与老化特征物和老化程度呈现相关性,且能够对样本进行准确分类;最后对光谱进行了小波包能量熵分析,分析了油纸绝缘老化过程中拉曼光谱的能量变化情况。研究成果为表面增强拉曼光谱技术应用于油纸绝缘老化诊断提供了依据,为实现油纸绝缘设备故障与老化状态的快速、非接触的现场诊断奠定了基础。     

Near‐infrared surface‐enhanced Raman spectroscopy (NIR‐SERS) studies on oxyheamoglobin (OxyHb) of liver cancer based on PVA‐Ag nanofilm

A near‐infrared surface‐enhanced Raman spectroscopy (NIR‐SERS) method was employed for oxyheamoglobin (OxyHb) detection to develop a simple blood test for liver cancer detection. Polyvinyl alcohol protected silver nanofilm (PVA‐Ag nanofilm) used as the NIR‐SERS active substrate to enhance the Raman scattering signals of OxyHb. High quality NIR‐SERS spectrum from OxyHb adsorbed on PVA‐Ag nanofilm can be obtained within 16 s using a portable Raman spectrometer. NIR‐SERS measurements were performed on OxyHb samples of healthy volunteers (control subjects, n = 30), patients (n = 40) with confirmed liver cancer (stage I, II and III) and the liver cancer patients after surgery (n = 30). Meanwhile, the tentative assignments of the Raman bands in the measured NIR‐SERS spectra were performed, and the results suggested cancer specific changes on molecule level, including a decrease in the relative concentrations and the percentage of aromatic amino acids of OxyHb, changes of the vibration modes of the C_aH_m group and pyrrole ring of OxyHb of liver cancer patients. In this paper, principal component analysis (PCA) combined with independent sample T test analysis of the measured NIR‐SERS spectra separated the spectral features of the two groups into two distinct clusters with the sensitivity of 95.0% and the specificity of 85.7%. Meanwhile, the recovery situations of the liver cancer patients after surgery were also assessed using the method of discriminant analysis‐predicting group membership based on PCA. The results show that 26.7% surgeried liver cancer patients were distinguished as the normal subjects and 63.3% were distinguished into the cancer. Our study demonstrated great potentials for developing NIR‐SERS OxyHb analysis into a novel clinical tool for non‐invasive detection of liver cancers. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

结合多变量统计分析肝癌氧合血红蛋白表面增强拉曼光谱

采用二维纳米结构银膜作为基底,检测了30例肝癌患者和30例健康人氧合血红蛋白表面增强拉曼散射(SERS)谱。利用主成分分析(PCA)结合独立变量t检验建立SERS光谱诊断多元统计算法模型,并用判别分析方法对此统计算法的诊断效果进行评价。实验结果表明,肝癌患者与健康人氧合血红蛋白SERS光谱有明显区别。采用PCA分析结合独立变量t检验统计分析方法得出SERS光谱PCA得分三维散点图可以很好的区分健康人和肝癌患者。利用判别分析方法得出该统计算法诊断肝癌的特异性和灵敏度分别为90%和96.7%,总判别正确率为93.3%。与健康人相比,肝癌患者氧合血红蛋白中吡咯环的呼吸振动模式的数量、酪氨酸和苯丙氨酸的含量相对偏低。研究结果表明,氧合血红蛋白SERS光谱统计分析有望发展成为一种新型的肝癌诊断工具。     

Applications of Raman and Surface-Enhanced Raman Scattering Techniques to Humic Substances

This paper highlights the use of Raman, FT-Raman and surface-enhanced Raman scattering (SERS) techniques for the study of humic substances. In contrast to other technologies which reveal information only about the average compositions and the kinds of functional groups present in humic substances, Raman and especially FT-Raman spectroscopies characterize the building blocks of humic substances and their changes in derivation and separation processes. Furthermore, surface-enhanced Raman scattering (SERS) techniques are able to readily detect humic substances and co-existing organic species at low concentrations typically found in natural environments and reveal definitive information about the specific groups in humic substances that bind on metal electrodes. Further applications of both Raman and SERS techniques can be extended to complicated systems as well as real environmental samples. Experiments have demonstrated: (1). the backbones of humic substances are structurally disordered carbon networks in most cases; (2). The backbones of humic substances from different sources and types are similar to each other; (3). Normal Raman spectroscopic study of humic substances should concentrate on the use of near-IR laser(s) resulting from strong fluorescence background and self-adsorption under the excitation with visible laser irradiation; (4). FT-Raman spectroscopy is the required analytical method to assess the effectivity of fractionation methods; (5). SERS spectra of humic substances on metal colloids and films are in most aces very similar to the corresponding Raman spectra of neutralized samples; (6). SERS techniques are very sensitive and highly selective, also both visible lasers and near-IR lasers can be used for SERS study; (7). SERS spectra on metal electrodes may provide additional information about the binding sites and adsorption mechanisms of humic substances on metal surfaces.     

麻黄生物碱中一对光学异构体在薄层色谱原位的表面增强拉曼光谱研究

应用表面增强技术(SERS)将薄层色谱(TLC)与傅里叶变换拉曼光谱(FT-Raman)联用,在薄层色谱分离斑点原位,获得中草药麻黄中麻黄生物碱衍生物中一对关于手性碳的光学异构体：去甲基麻黄碱,去甲基伪麻黄碱指纹光谱的新方法。研究表明,在薄层色谱原位仅16 μg的样品,就可获得以上分子的主要特征谱带;并且光学异构体的光谱特征明显不同,在银溶胶微粒表面增强作用下去甲基麻黄碱、去甲基伪麻黄碱分子中与苯环相关的波数为1 004,1 605 cm-1振动获最大增强。从而阐明了应用TLC-SERS联用技术,可有效地对中草药主要化学成分中光学异构体进行高灵敏度分离与指纹鉴定。     

Surface‐enhanced Raman scattering spectroscopy for potential noninvasive nasopharyngeal cancer detection

Combining membrane electrophoresis with surface‐enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy, the serum proteins were first purified and then mixed with silver nanoparticles to perform SERS spectral analysis. Therefore, the spectral signatures were enhanced to high‐fidelity SERS signatures because of the purification procedure of the first step. We used the method to analyze blood plasma samples from nasopharyngeal cancer patients (n = 43) and healthy volunteers (n = 33) for cancer detection. Principle component analysis of the SERS spectra revealed that the data points for the cancer group and the normal group form distinct, completely separated clusters with no overlap. Therefore, the nasopharyngeal cancer group can be unambiguously discriminated from the normal group, i.e., with both diagnostic sensitivity and specificity of 100%. These results are very promising for developing a label‐free, noninvasive, and reliable clinical tool for rapid cancer detection and screening. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

吴茱萸生物总碱的TLC-SERS研究

报道了将薄层色谱(TLC)与傅里叶变换表面增强拉曼散射(FT-SERS) 联用, 获得了中草药吴茱萸中六种生物碱分子光谱研究的新方法。薄层色谱将微克级吴茱萸生物总碱中吴茱萸碱(Evodiamine)、吴茱萸次碱(Rutaecarpine)、羟基吴茱萸碱(Hydroxyevodiamine)、吴茱萸酰胺(Evodiamide)、二氢吴茱萸次碱(Dihydrorutaecarpine)和1,4-甲酰基二氢吴茱萸次碱(1,4-formyldihydrorutaecarpine)六种生物碱完全分离,应用薄层原位的傅里叶变换表面增强拉曼散射(TLC-FT-SERS) 技术, 获得吴茱萸生物碱分子的特征振动谱带, 进而阐述了样品分子在银胶表面的吸附模式。五种吴茱萸生物碱分子以π电子与银晶体微粒相互作用,呈平面吸附;吴茱萸次碱以N原子的n电子与银晶体微粒作用。在薄层色谱原位,可明显观察到六种生物碱FT-SERS的光谱主要特征峰位。各生物碱分子拉曼散射获最大增强的是波数为1 600 cm-1表征苯环环伸缩振动的谱带;羟基吴茱萸碱谱图中可观察到波数为1 342 cm-1羟基变形振动谱带,明显区别于其他生物碱。采用此方法,不用标准品即获得六种生物碱的指纹光谱。研究结果表明了TLC-FT-SERS对中草药化学成分进行高灵敏度示踪指纹检测的可靠性和优越性。     

基于银溶胶表面增强拉曼光谱对菠菜毒死蜱农药的快速检测

利用表面增强拉曼光谱(SERS)技术,建立了一种用于菠菜中毒死蜱农药残留的非破坏、快速检测方法。以碱性环境下盐酸羟胺还原法制备的银溶胶作为表面增强剂滴涂于菠菜样品表面后,采用实验室自行搭建的拉曼系统直接采集样品的拉曼信息,该方法无需对样品进行前处理,可以实现菠菜中毒死蜱含量的实时在线定量分析。采集24片不同毒死蜱含量的菠菜样品拉曼光谱,每个样品采集20个点。拉曼信号采集后,用气相色谱法对24个菠菜样品中毒死蜱含量进行检测。为了消除光谱噪音以及荧光背景对分析建模的影响,分别采用Savitzky-Golay平滑和有效峰线性拟合法对原始拉曼光谱进行预处理。该表面增强拉曼方法具有较好的重复性,实验中对50个相同毒死蜱含量,但不同状态的菠菜进行光谱采集,其相对标准偏差为13.4%,说明该方法具有一定的普适性。光谱预处理后,选取615.5~626.4 cm-1波段为感兴趣区域,建立0.05~37.4 mg·kg-1浓度范围内毒死蜱含量的多元线性预测模型,结果表明感兴趣区域的拉曼信号和毒死蜱浓度呈良好的线性关系,其校正集和验证集相关系数R_C和R_P分别为0.961和0.954。该方法的最低检出含量为0.05 mg·kg-1,低于国家标准规定的农药残留最大限量。该方法简单快速,无需样品前处理,可以实现果蔬的农药残留快速、定量检测。