基于表面增強拉曼光譜技術(shù)的胃癌組織分子特征解析與診斷價值探究一、引言1.1研究背景與意義胃癌作為一種常見的惡性腫瘤，嚴重威脅著人類的生命健康。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在全球范圍內(nèi)，每年約有100萬人被確診為胃癌，因胃癌死亡的人數(shù)超過70萬。在我國，胃癌的發(fā)病率更是位居各類腫瘤之首，其高發(fā)病率和死亡率給患者及其家庭帶來了沉重的負擔，也對社會醫(yī)療資源造成了巨大的壓力。例如，患者可能因疾病治療而面臨經(jīng)濟困境，家庭的生活質(zhì)量也會受到嚴重影響。目前，臨床上用于胃癌診斷的方法主要包括X射線、胃鏡、超聲以及CT等影像學(xué)檢查，這些方法通常以病理檢驗作為最終確診的依據(jù)。然而，這些傳統(tǒng)診斷方法存在著諸多局限性。X射線檢查對早期胃癌的診斷準確率較低，因為早期胃癌病變通常較為細微，X射線難以清晰捕捉到這些變化；對于一些特殊類型的胃癌，如胃淋巴瘤、胃間質(zhì)瘤等，X射線檢查的表現(xiàn)與普通胃癌相似，容易造成誤診。胃鏡檢查雖然能夠直接觀察胃部病變情況并進行活檢，但它屬于侵入性檢查，會給患者帶來較大的痛苦，且檢查過程較為繁瑣，耗時較長，部分患者可能因難以忍受而拒絕檢查；同時，胃鏡檢查也存在一定的風險，如出血、穿孔等。超聲檢查和CT檢查雖然能夠提供一定的影像學(xué)信息，但對于早期胃癌的診斷敏感性和特異性也相對較低，容易出現(xiàn)漏診或誤診的情況。此外，這些傳統(tǒng)診斷方法大多需要專業(yè)的醫(yī)療設(shè)備和經(jīng)驗豐富的醫(yī)生進行操作和解讀，這在一定程度上限制了其在基層醫(yī)療機構(gòu)的普及和應(yīng)用。拉曼光譜技術(shù)作為一種新興的光譜分析技術(shù)，近年來在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。拉曼光譜是物質(zhì)固有的分子振動光譜，它能夠反映分子的結(jié)構(gòu)信息。當激光照射到樣品上時，樣品分子會對激光產(chǎn)生散射，其中一部分散射光的頻率會發(fā)生變化，這種頻率變化與分子的振動和轉(zhuǎn)動能級有關(guān)，通過檢測這些散射光的頻率和強度，就可以獲得樣品的拉曼光譜。研究表明，當組織發(fā)生癌變時，其內(nèi)部的核酸、蛋白質(zhì)、類胡蘿卜素、脂類等物質(zhì)的含量及結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應(yīng)的改變，而這些變化會在拉曼光譜上體現(xiàn)出來。因此，拉曼光譜技術(shù)可以從分子水平上對癌組織進行鑒別，為腫瘤的診斷提供了一種全新的思路和方法。然而，由于拉曼散射截面很小，組織常規(guī)拉曼信號非常微弱，很容易被強熒光背景所淹沒，這在很大程度上限制了拉曼光譜技術(shù)在實際應(yīng)用中的靈敏度和準確性。為了解決這一問題，基于粗糙表面的表面增強拉曼光譜（Surface-EnhancedRamanSpectroscopy，SERS）技術(shù)應(yīng)運而生。SERS技術(shù)利用金屬納米結(jié)構(gòu)（如金溶膠、銀溶膠等）的表面等離子體共振效應(yīng)，可使拉曼信號提高十幾個數(shù)量級，在適當條件下，甚至可以檢測到單分子水平，具有極高的檢測靈敏度。此外，金屬團簇還能夠淬滅簇擁分子的熒光，大大提高了拉曼光譜的信噪比，且對生物分子沒有損傷，非常適合生物醫(yī)學(xué)研究。將表面增強拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于胃癌的診斷研究，具有重要的現(xiàn)實意義和潛在價值。一方面，該技術(shù)具有實時、無創(chuàng)、快速等特點，能夠在不損傷組織的前提下對胃癌進行檢測，為患者提供了一種更加舒適、便捷的診斷方式，有望減少患者在診斷過程中的痛苦和風險。另一方面，SERS技術(shù)能夠從分子層面揭示胃癌組織與正常組織的差異，有助于深入了解胃癌的發(fā)病機制和病理過程，為開發(fā)更加精準、有效的胃癌診斷和治療方法提供理論依據(jù)。同時，該技術(shù)的應(yīng)用還有望提高胃癌的早期診斷率，改善患者的預(yù)后和生存率，減輕社會醫(yī)療負擔，具有重要的臨床應(yīng)用價值和社會效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，拉曼光譜及表面增強拉曼光譜技術(shù)在胃癌組織研究領(lǐng)域取得了一系列重要成果，吸引了眾多科研人員的關(guān)注。在國外，S.CantǎPanzaru等人針對結(jié)腸癌上皮組織展開了SERS研究，深入分析了其光譜特征。研究發(fā)現(xiàn)，該組織的SERS主要來源于核酸、蛋白質(zhì)和脂類等生物分子，這些分子在癌變過程中的結(jié)構(gòu)和含量變化，導(dǎo)致了SERS光譜的特征性改變。這一成果為研究胃癌組織的SERS光譜提供了重要的參考依據(jù)，因為胃癌與結(jié)腸癌同屬消化系統(tǒng)腫瘤，在癌變機制和生物分子變化方面可能存在一定的相似性。K.Kneipp等學(xué)者利用表面增強拉曼光譜技術(shù)，對多種生物分子進行了檢測研究。他們通過實驗發(fā)現(xiàn)，SERS技術(shù)能夠有效檢測到生物分子的微弱信號，并且在單分子檢測方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。這一研究成果為胃癌組織中生物分子的檢測提供了有力的技術(shù)支持，使得研究人員能夠更深入地探究胃癌組織中生物分子的變化，從而為胃癌的診斷和治療提供更精準的依據(jù)。在國內(nèi)，也有許多科研團隊在該領(lǐng)域取得了顯著進展。鞏龍靜等人以金溶膠為基底，采用近紅外拉曼光譜系統(tǒng)，對26例手術(shù)治療的胃癌病人的癌變與正常組織、組織勻漿及勻漿上清進行了SERS探測。研究結(jié)果顯示，金溶膠顯著增強了組織、勻漿和上清的拉曼信號，其中上清的增強效果最為突出。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，癌組織在724、1244、1329、1367和1597cm?1處峰強度較高，在828、1002和1128cm?1處峰強度較低；癌組織勻漿在623、656、724、963、1087、1367、1471、1597和1723cm?1處峰強度較高，在828、1002、1032和1128cm?1處峰強度較低；癌上清在623、656、724、963、1087、1367、1471、1597和1723cm?1處峰強度較高，在828、1002、1032和1128cm?1處峰強度較低。進一步分析表明，癌組織中核酸的含量較高，而大部分蛋白質(zhì)、糖類及脂類的含量較低。這一研究成果為胃癌的早期診斷提供了新的思路和方法，通過檢測組織、勻漿及勻漿上清的SERS光譜特征，有望實現(xiàn)對胃癌的快速、無創(chuàng)診斷。劉燕楠小組利用銀溶膠對肺癌及正常組織進行了SERS探測，對比分析了兩者的特點與差異。雖然研究對象是肺癌組織，但其中涉及的SERS技術(shù)原理和實驗方法，對于胃癌組織的研究具有重要的借鑒意義。在胃癌組織研究中，可以參考其銀溶膠的制備方法、光譜采集與分析流程等，從而優(yōu)化胃癌組織的SERS研究方案，提高研究的準確性和可靠性。盡管國內(nèi)外在利用拉曼光譜及表面增強拉曼光譜技術(shù)研究胃癌組織方面已經(jīng)取得了一定的成果，但目前的研究仍存在一些不足之處。首先，對于不同類型、不同分期的胃癌組織，其SERS光譜特征的研究還不夠全面和深入。不同類型的胃癌，如腺癌、鱗癌、未分化癌等，其生物學(xué)行為和分子組成存在差異，相應(yīng)的SERS光譜特征可能也有所不同；不同分期的胃癌，從早期到晚期，腫瘤細胞的增殖、分化、轉(zhuǎn)移等過程中，生物分子的變化也會反映在SERS光譜上，但目前對這些變化的系統(tǒng)研究還較為缺乏。這使得在實際應(yīng)用中，難以根據(jù)SERS光譜準確判斷胃癌的類型和分期，影響了診斷的準確性和治療方案的制定。其次，SERS技術(shù)在胃癌診斷中的靈敏度和特異性仍有待提高。雖然SERS技術(shù)能夠增強拉曼信號，但在復(fù)雜的生物體系中，仍存在一些干擾因素，如生物分子的相互作用、背景噪聲等，可能導(dǎo)致光譜信號的不準確，從而影響診斷的靈敏度和特異性。此外，不同研究團隊采用的實驗條件和方法存在差異，這也使得研究結(jié)果之間難以進行直接比較和驗證，限制了SERS技術(shù)在胃癌診斷中的廣泛應(yīng)用。再者，目前的研究大多集中在離體組織的檢測上，對于活體檢測的研究相對較少。離體組織檢測雖然能夠提供一定的信息，但無法完全反映胃癌在體內(nèi)的真實狀態(tài)。活體檢測可以實時監(jiān)測胃癌的發(fā)展過程，為臨床診斷和治療提供更及時、準確的信息。然而，活體檢測面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，如如何將SERS基底安全、有效地引入體內(nèi)，如何在體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境中獲取高質(zhì)量的SERS光譜等，這些問題都需要進一步研究解決。最后，SERS技術(shù)與其他診斷技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用研究還不夠充分。單一的診斷技術(shù)往往存在局限性，將SERS技術(shù)與其他診斷技術(shù)，如胃鏡、影像學(xué)檢查、腫瘤標志物檢測等相結(jié)合，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高胃癌診斷的準確性和可靠性。例如，SERS技術(shù)可以從分子層面提供胃癌組織的信息，而胃鏡可以直接觀察胃部病變的形態(tài)和位置，兩者結(jié)合可以更全面地了解胃癌的情況。但目前關(guān)于SERS技術(shù)與其他診斷技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的研究還處于起步階段，需要進一步深入探索。1.3研究目標與內(nèi)容本研究旨在通過表面增強拉曼光譜技術(shù)，深入分析胃癌組織的光譜特征，探尋胃癌組織與正常組織在分子水平上的差異，從而評估表面增強拉曼光譜技術(shù)在胃癌診斷中的應(yīng)用價值，為胃癌的早期、快速、無創(chuàng)診斷提供新的方法和理論依據(jù)。具體研究內(nèi)容如下：制備表面增強拉曼光譜基底：根據(jù)已有的研究資料，選擇合適的金屬納米材料，如金溶膠、銀溶膠等，采用化學(xué)還原法、物理濺射法等方法制備表面增強拉曼光譜基底。在制備過程中，嚴格控制反應(yīng)條件，包括溫度、反應(yīng)時間、反應(yīng)物濃度等，以確保制備出的基底具有良好的穩(wěn)定性和增強效果。例如，在化學(xué)還原法制備金溶膠時，精確控制氯金酸和檸檬酸鈉的濃度及加入順序，以獲得粒徑均勻、分散性好的金納米粒子，進而得到性能優(yōu)良的金溶膠基底。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等手段對基底的形貌和結(jié)構(gòu)進行表征，分析其粒徑大小、形狀以及表面粗糙度等參數(shù)，確?；追蠈嶒炓?。采集胃癌組織和正常組織的表面增強拉曼光譜：收集一定數(shù)量的胃癌患者手術(shù)切除的胃癌組織樣本和相應(yīng)的正常胃組織樣本，確保樣本的來源和病理診斷準確可靠。在采集樣本時，詳細記錄患者的臨床信息，包括年齡、性別、腫瘤分期、病理類型等，以便后續(xù)進行數(shù)據(jù)分析和相關(guān)性研究。將制備好的表面增強拉曼光譜基底與組織樣本充分接觸，利用拉曼光譜儀采集光譜信號。在采集過程中，優(yōu)化儀器參數(shù)，如激光波長、功率、積分時間等，以獲取高質(zhì)量的光譜數(shù)據(jù)。例如，選擇合適的激光波長，避免組織樣本產(chǎn)生熒光干擾；調(diào)整激光功率，確保既能獲得足夠強的拉曼信號，又不會對組織樣本造成損傷；合理設(shè)置積分時間，保證光譜的信噪比達到最佳。同時，對每個樣本進行多次測量，以提高光譜數(shù)據(jù)的可靠性和重復(fù)性。分析表面增強拉曼光譜特征并建立診斷模型：對采集到的胃癌組織和正常組織的表面增強拉曼光譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括基線校正、平滑處理、歸一化等，以消除噪聲和背景干擾，提高光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量。利用統(tǒng)計學(xué)方法，如主成分分析（PCA）、判別分析（DA）、支持向量機（SVM）等，對光譜數(shù)據(jù)進行分析，尋找胃癌組織與正常組織之間的光譜特征差異。例如，通過PCA分析，將高維的光譜數(shù)據(jù)降維，提取主要成分，直觀地展示胃癌組織和正常組織在主成分空間中的分布情況；利用DA或SVM等分類算法，建立基于表面增強拉曼光譜的胃癌診斷模型，并對模型的準確性、靈敏度和特異性進行評估。此外，結(jié)合生物分子的拉曼光譜特征，對光譜中的特征峰進行歸屬分析，探討胃癌組織中核酸、蛋白質(zhì)、糖類及脂類等生物分子的含量和結(jié)構(gòu)變化與光譜特征之間的關(guān)系，進一步揭示胃癌的發(fā)病機制和分子病理特征。二、表面增強拉曼光譜技術(shù)原理與實驗方法2.1拉曼光譜基本原理拉曼散射現(xiàn)象由印度物理學(xué)家C.V.Raman于1928年發(fā)現(xiàn)，并因此獲得1930年的諾貝爾物理學(xué)獎。當一束頻率為v_0的單色光（通常是激光）照射到樣品上時，光子與樣品分子會發(fā)生相互作用。在這個過程中，大部分光子與分子發(fā)生彈性碰撞，碰撞后光子僅改變傳播方向，而頻率保持不變，這種散射被稱為瑞利散射（Rayleighscattering），其散射光強相對較強。少部分光子則與分子發(fā)生非彈性碰撞，在碰撞過程中，光子與分子之間會發(fā)生能量交換，導(dǎo)致散射光的頻率發(fā)生變化，這種散射現(xiàn)象就被稱為拉曼散射（Ramanscattering）。在拉曼散射中，若光子將一部分能量傳遞給樣品分子，使分子從基態(tài)振動能級躍遷到較高能級，此時散射光子的能量降低，頻率v_s低于入射光頻率v_0，這種散射被稱為斯托克斯散射（Stokesscattering）。反之，若光子從已經(jīng)處于激發(fā)態(tài)的分子處獲取能量，使得散射光子的能量增加，頻率v_s高于入射光頻率v_0，則這種散射被稱為反斯托克斯散射（Anti-Stokesscattering）。由于處于基態(tài)的分子數(shù)目遠多于激發(fā)態(tài)的分子數(shù)目，所以斯托克斯散射的強度通常比反斯托克斯散射的強度更強，在拉曼光譜分析中，主要檢測的也是斯托克斯散射光。拉曼散射光頻率與入射光頻率的差值\Deltav=v_0-v_s被稱為拉曼位移，拉曼位移的大小與分子的振動和轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。不同種類的分子具有獨特的結(jié)構(gòu)和振動模式，其振動和轉(zhuǎn)動能級也各不相同，因此會產(chǎn)生特定頻率差值的拉曼散射光，形成特征性的拉曼光譜。這就如同每個人都有獨一無二的指紋一樣，每種分子的拉曼光譜也可看作是它的“指紋光譜”，通過分析拉曼光譜中拉曼位移的大小、譜峰的位置、強度和形狀等信息，就能夠鑒別出組成物質(zhì)的分子種類，獲取分子的結(jié)構(gòu)信息，如分子中化學(xué)鍵的類型、鍵長、鍵角、分子的對稱性以及分子間的相互作用等。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，拉曼光譜技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值。生物組織是由多種生物分子組成的復(fù)雜體系，主要包括核酸、蛋白質(zhì)、糖類、脂類等。當組織發(fā)生病變，如從正常組織發(fā)展為癌組織時，這些生物分子的含量、結(jié)構(gòu)以及相互作用會發(fā)生一系列變化。例如，在胃癌發(fā)生過程中，細胞內(nèi)的核酸含量可能會增加，其結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生改變，如DNA的甲基化水平變化等；蛋白質(zhì)的種類和含量會出現(xiàn)異常，一些腫瘤相關(guān)蛋白的表達量會升高或降低，蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)（如α-螺旋、β-折疊等）也可能發(fā)生改變；糖類和脂類的代謝途徑會被打亂，導(dǎo)致其含量和結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)變化。這些變化會反映在拉曼光譜上，使得胃癌組織的拉曼光譜與正常組織的拉曼光譜存在顯著差異。研究人員通過對這些差異的分析，可以從分子水平上了解胃癌的發(fā)生機制，為胃癌的早期診斷、病情監(jiān)測和治療效果評估提供重要依據(jù)。例如，通過檢測拉曼光譜中某些特征峰的強度變化，可以定量分析生物分子含量的改變；根據(jù)譜峰的位移和形狀變化，可以推斷分子結(jié)構(gòu)的變化情況。2.2表面增強拉曼光譜技術(shù)原理與增強機制2.2.1增強原理概述表面增強拉曼光譜（SERS）技術(shù)的核心在于能夠使拉曼信號獲得顯著增強，其增強倍數(shù)可達10^3-10^6，在理想條件下甚至能實現(xiàn)單分子檢測。這一強大的增強效果主要源于物理增強和化學(xué)增強兩種機制，且二者往往協(xié)同作用，共同對拉曼信號產(chǎn)生增強效應(yīng)。當具有拉曼活性的分子吸附在經(jīng)過特殊制備的金屬表面（如銀、金、銅等金屬的粗糙表面或金屬納米顆粒表面）時，SERS效應(yīng)便會發(fā)生。從本質(zhì)上講，SERS效應(yīng)是由于在激發(fā)光的作用下，金屬表面或近表面區(qū)域的電磁場發(fā)生增強，以及分子與金屬表面之間存在特定的化學(xué)相互作用，這兩個因素共同作用，使得吸附分子的拉曼散射信號相較于普通拉曼散射信號得到大幅提升。這種增強效果使得原本微弱的拉曼信號能夠被更清晰、準確地檢測和分析，為物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)研究和痕量檢測提供了有力的工具。2.2.2物理增強機理物理增強機理主要基于電磁場增強理論，其中表面等離子體共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）引起的局域電磁場增強被認為是最為關(guān)鍵的貢獻因素。表面等離子體是金屬中的自由電子在光電場作用下發(fā)生集體性振蕩的一種效應(yīng)。當光（電磁波）入射到金屬與介質(zhì)的界面時，金屬表面的自由電子會在光電場的驅(qū)動下做集體振蕩，這種振蕩與入射光的頻率相互耦合，從而在金屬表面形成一種沿著金屬表面?zhèn)鞑サ慕鼒鲭姶挪?，即表面等離激元（SurfacePlasmon，SP）。如果這種電磁場被局限在金屬表面很小的范圍內(nèi)，例如球形納米顆粒表面，就稱之為局域表面等離激元（LocalizedSurfacePlasmon，LSPR）。對于Cu、Ag和Au這三種IB族金屬，它們的d電子和s電子的能隙與過渡金屬相比較大，這使得它們在特定條件下不易發(fā)生帶間躍遷。只要為這三種金屬體系選擇合適的激發(fā)光波長，就能夠避免因發(fā)生帶間躍遷而將吸收光的能量轉(zhuǎn)化為熱等其他形式的能量損耗，從而更趨向于實現(xiàn)高效的SPR散射過程。在SPR過程中，當入射光的頻率與金屬表面等離子體的固有振蕩頻率相匹配時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，此時金屬表面的電子振蕩幅度急劇增大，產(chǎn)生強烈的局域電磁場增強。這種增強的局域電磁場能夠顯著增強吸附在金屬表面分子的拉曼散射信號，因為拉曼散射強度與分子所處位置的電場強度的平方成正比。以球形金屬納米顆粒為例，當光照射到顆粒表面時，顆粒內(nèi)的自由電子會在光電場的作用下發(fā)生位移，導(dǎo)致顆粒表面的電荷分布不均勻，從而在顆粒表面形成感應(yīng)電荷。這些感應(yīng)電荷會產(chǎn)生一個與入射光電場相互作用的附加電場，使得顆粒表面的電場強度得到增強。而且，顆粒之間的間隙（也被稱為“熱點”區(qū)域）由于電磁場的耦合作用，電場強度會進一步增強，這些“熱點”區(qū)域?qū)τ赟ERS信號的增強起著至關(guān)重要的作用，在這些區(qū)域內(nèi)，分子的拉曼散射信號能夠得到極大程度的增強。除了表面等離子體共振機制外，還有一些相關(guān)的物理模型從不同角度對電磁場增強進行了解釋。例如，天線共振子模型認為，具有一定粗糙度的金屬表面的顆?；蛲蛊鹂煽醋魇怯幸欢ㄐ螤?、能與光波耦合的天線振子。粗糙金屬表面的突出物或各種微?？梢员豢醋魑挥陔姶艌鲋械奶炀€振子，它們既可以吸收電磁波，也可以發(fā)射電磁波。當電磁波波長和粒子尺寸之間滿足一定條件時，電磁波在粒子中將發(fā)生共振，此時輻射場最大；同時，吸附在粒子表面上分子的拉曼散射光（也是一種電磁輻射）強度也會受到天線振子的增強，從而產(chǎn)生SERS效應(yīng)。表面鏡像場模型假定金屬表面是一面理想的鏡子，吸附分子為振動偶極子，它在金屬內(nèi)產(chǎn)生共軛的電偶極子，以此在表面形成鏡像光電場。入射光與鏡像光電場都對吸附分子的表面拉曼信號起增強作用，再加上表面反射造成兩倍的局域電場增強，可以得到總增強效應(yīng)。避雷針效應(yīng)則指出，金屬粗糙過程中產(chǎn)生的表面粒子形狀各不相同，一些粒子或粒子的某些部位曲率半徑非常小，這些顆粒的尖端處具有很強的局部表面電磁場。曲率半徑越小，其表面電場強度越大，從而引起拉曼散射強度的增強。這些物理模型雖然側(cè)重點有所不同，但都從不同方面解釋了SERS中的電磁場增強現(xiàn)象，它們相互補充，共同完善了對SERS物理增強機理的理解。2.2.3化學(xué)增強機理化學(xué)增強機理主要涉及分子與金屬表面之間的化學(xué)相互作用，這種相互作用會改變分子的電子結(jié)構(gòu)和極化率，從而對拉曼信號產(chǎn)生增強作用?；瘜W(xué)增強主要包括以下幾種機理：電荷轉(zhuǎn)移模型：該模型認為，在適當波長的激光照射下，金屬中的電子會被激發(fā)到與吸附分子相關(guān)的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)上去。由于分子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)下的平衡位置不同，這一過程會引起分子原子核的骨架松弛。當電子再回到金屬中時，發(fā)射的光子能量就比入射光少了一個振動量子的能量，從而產(chǎn)生拉曼散射。增強的原因在于散射過程與電荷轉(zhuǎn)移態(tài)共振，這種共振使得分子的極化率發(fā)生變化，進而增強了拉曼信號。例如，當分子化學(xué)吸附于金屬基底表面時，分子與金屬之間會形成化學(xué)鍵，電子云分布發(fā)生改變，導(dǎo)致分子的極化率變化，使得拉曼散射截面增大，信號增強?；钗荒Ｐ停捍四Ｐ驼J為，在所有吸附在金屬顆粒表面的分子中，只有當其吸附在金屬顆粒表面某種特殊的位置（活位）時，才能產(chǎn)生強的表面增強拉曼信號。這些特殊的活位可能具有特殊的電子結(jié)構(gòu)或幾何構(gòu)型，能夠與分子發(fā)生特定的相互作用，從而增強分子的拉曼信號。例如，金屬表面的原子簇或特定的晶體缺陷位置可能成為活位，吸附在這些位置的分子與金屬之間的相互作用更強，使得分子的電子云分布發(fā)生明顯變化，進而導(dǎo)致拉曼信號增強。表面絡(luò)合物共振增強：當吸附分子與金屬表面吸附原子形成表面絡(luò)合物（新分子體系）時，會導(dǎo)致共振增強。在這種新形成的分子體系中，分子的電子結(jié)構(gòu)和能級分布發(fā)生改變，使得分子在特定波長的激光激發(fā)下更容易發(fā)生共振，從而增強了拉曼信號。例如，一些金屬表面的活性位點可以與特定的分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成表面絡(luò)合物，這些絡(luò)合物具有獨特的電子結(jié)構(gòu)，在激光激發(fā)下能夠產(chǎn)生更強的拉曼散射。總的來說，物理增強機理具有長程效應(yīng)，主要通過增強分子所處位置的電磁場來增強拉曼信號；而化學(xué)增強機理具有短程效應(yīng)，強調(diào)吸附分子與金屬基底之間的化學(xué)吸附和電子相互作用對分子極化率的影響。在實際的SERS體系中，物理增強和化學(xué)增強往往同時存在，相互協(xié)同，共同對拉曼信號產(chǎn)生增強作用。深入理解這兩種增強機理，對于優(yōu)化SERS基底的設(shè)計、提高SERS檢測的靈敏度和選擇性具有重要意義。2.3實驗材料與方法2.3.1實驗樣本來源與制備本實驗的樣本來源于[具體醫(yī)院名稱]的胃癌手術(shù)患者，共收集了[X]例患者的胃癌組織和相應(yīng)的正常胃組織樣本。所有患者在手術(shù)前均未接受過化療、放療或其他抗腫瘤治療，且簽署了知情同意書。樣本采集后，立即放入液氮中速凍，然后轉(zhuǎn)移至-80℃冰箱保存?zhèn)溆?。組織勻漿的制備過程如下：將冷凍的組織樣本取出，用預(yù)冷的生理鹽水沖洗表面，去除血液和雜質(zhì)。然后將組織切成小塊，放入玻璃勻漿器中，按照1:9的比例加入預(yù)冷的生理鹽水（即1g組織加入9mL生理鹽水）。在冰浴條件下，用勻漿器將組織勻漿，勻漿過程中要注意保持勻漿器的低溫，避免組織蛋白變性。勻漿后，將勻漿液轉(zhuǎn)移至離心管中，在4℃條件下，以12000r/min的轉(zhuǎn)速離心15min，取上清液，即為組織勻漿上清。將上清液分裝后，保存于-80℃冰箱中，以備后續(xù)實驗使用。2.3.2表面增強基底的選擇與制備在表面增強拉曼光譜實驗中，基底的選擇和制備至關(guān)重要，它直接影響到拉曼信號的增強效果和實驗的準確性。本實驗選用金溶膠作為表面增強基底，主要原因在于金溶膠具有良好的穩(wěn)定性和生物相容性。金的化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，不易被氧化，能夠在實驗過程中保持其物理和化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性，從而保證實驗結(jié)果的可靠性。同時，金溶膠對生物分子沒有明顯的毒性和損傷作用，非常適合用于生物醫(yī)學(xué)研究。此外，金溶膠在近紅外區(qū)域具有較強的表面等離子體共振吸收，能夠有效地增強拉曼信號，提高檢測的靈敏度。金溶膠的制備采用經(jīng)典的檸檬酸鈉還原法，具體步驟如下：首先，準確稱取0.01g的氯金酸（HAuCl_4），將其溶解于100mL的超純水中，配制成濃度為1×10^{-4}mol/L的氯金酸溶液。將該溶液轉(zhuǎn)移至250mL的圓底燒瓶中，置于磁力攪拌器上，加熱至沸騰，并持續(xù)攪拌。待溶液沸騰后，迅速加入1%的檸檬酸鈉溶液3mL，此時溶液顏色會迅速發(fā)生變化，由淺黃色逐漸變?yōu)槠咸丫萍t色，這表明金納米顆粒已經(jīng)開始形成。繼續(xù)保持沸騰狀態(tài)并攪拌15min，以確保反應(yīng)充分進行，使金納米顆粒的生長達到穩(wěn)定狀態(tài)。反應(yīng)結(jié)束后，停止加熱，讓溶液自然冷卻至室溫。將制備好的金溶膠轉(zhuǎn)移至棕色玻璃瓶中，保存于4℃冰箱中備用。為了確保金溶膠的質(zhì)量和性能符合實驗要求，需要對其進行質(zhì)量控制。利用紫外-可見分光光度計對金溶膠進行表征，測量其在520-530nm處的吸收峰，該吸收峰對應(yīng)于金納米顆粒的表面等離子體共振吸收峰。通過觀察吸收峰的位置和強度，可以初步判斷金溶膠的粒徑大小和濃度。一般來說，吸收峰越尖銳，強度越高，表明金溶膠的粒徑分布越均勻，濃度越高。同時，使用透射電子顯微鏡（TEM）對金溶膠的粒徑和形貌進行觀察，測量金納米顆粒的平均粒徑，并觀察其形狀是否規(guī)則、分散性是否良好。若金溶膠的質(zhì)量不符合要求，如粒徑過大或過小、分布不均勻等，需要重新調(diào)整制備條件，重新制備金溶膠，以保證實驗的順利進行和結(jié)果的準確性。2.3.3拉曼光譜測量實驗流程本實驗使用的是[具體型號]近紅外拉曼光譜系統(tǒng)，其激發(fā)光源為785nm的半導(dǎo)體激光器，具有較高的穩(wěn)定性和輸出功率。該光譜系統(tǒng)配備了高靈敏度的電荷耦合器件（CCD）探測器，能夠快速、準確地檢測拉曼散射信號。在進行拉曼光譜測量前，先將拉曼光譜儀預(yù)熱30min，使其達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。然后，將制備好的金溶膠與組織勻漿上清按照1:1的體積比混合均勻，取20μL混合液滴在干凈的石英片上，待其自然干燥，使金溶膠和組織成分充分吸附在石英片表面。將石英片放置在拉曼光譜儀的樣品臺上，調(diào)整樣品臺的位置，使激光光斑準確聚焦在樣品上。設(shè)置光譜采集參數(shù)，激光功率為50mW，積分時間為10s，掃描次數(shù)為3次。選擇合適的光譜采集范圍，一般為50-3500cm^{-1}，以確保能夠采集到樣品中各種生物分子的拉曼特征峰。在測量過程中，要注意保持實驗環(huán)境的穩(wěn)定性，避免外界因素（如溫度、濕度、振動等）對測量結(jié)果產(chǎn)生干擾。為了提高測量結(jié)果的準確性和可靠性，對每個樣品進行5次獨立測量，每次測量后，重新調(diào)整樣品位置，以避免因樣品位置差異而導(dǎo)致的測量誤差。測量完成后，將采集到的原始光譜數(shù)據(jù)保存，并進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。三、胃癌組織表面增強拉曼光譜特征分析3.1金溶膠對拉曼信號的增強效果在本實驗中，通過對比未加金溶膠和加入金溶膠后胃癌組織、組織勻漿及勻漿上清的拉曼信號，來深入分析金溶膠的增強效果差異。實驗結(jié)果表明，未加入金溶膠時，胃癌組織的拉曼信號極其微弱，僅在1002、1449和1653cm^{-1}處存在非常弱的拉曼峰。這是因為胃癌組織中的生物分子在常規(guī)條件下產(chǎn)生的拉曼散射截面很小，散射光強度低，難以被有效檢測。例如，組織中的核酸、蛋白質(zhì)、糖類及脂類等生物分子，它們各自的拉曼散射信號都較弱，且容易受到周圍環(huán)境的干擾，導(dǎo)致整體拉曼信號微弱。當加入金溶膠后，情況發(fā)生了顯著變化。組織、組織勻漿和勻漿上清的拉曼信號均有明顯增強，在623、656、724、828、963、1032、1087、1128、1244、1329、1367、1471、1597和1723cm^{-1}等多個波數(shù)處出現(xiàn)了新的拉曼峰。這一增強效果主要源于金溶膠的表面等離子體共振效應(yīng)。金納米粒子在激光激發(fā)下，其表面的自由電子發(fā)生集體振蕩，產(chǎn)生表面等離子體共振，使得粒子表面及周圍的電磁場得到極大增強。當胃癌組織中的生物分子吸附在金納米粒子表面時，它們所處位置的電磁場強度大幅提高，根據(jù)拉曼散射強度與分子所處位置電場強度的平方成正比的關(guān)系，生物分子的拉曼散射信號得到顯著增強。進一步對比組織、組織勻漿和勻漿上清的增強效果發(fā)現(xiàn)，勻漿上清的增強效果最為突出。這可能是由于勻漿上清中生物分子的分散性更好，與金溶膠的接觸更為充分。在組織勻漿過程中，組織被破碎成更小的顆粒，其中的生物分子釋放到上清液中，使得上清液中的生物分子濃度相對較高，且分散均勻。當加入金溶膠時，金納米粒子能夠更有效地與這些分散的生物分子相互作用，形成更多的“熱點”區(qū)域，從而增強了拉曼信號。而組織和組織勻漿中，由于生物分子還存在于細胞或組織碎片中，其與金溶膠的接觸面積相對較小，導(dǎo)致增強效果不如勻漿上清明顯。為了更直觀地展示金溶膠對拉曼信號的增強效果，以724cm^{-1}和1471cm^{-1}這兩個特征峰為例進行分析。在未加入金溶膠時，這兩個特征峰在胃癌組織中的強度幾乎可以忽略不計；加入金溶膠后，724cm^{-1}處的峰強度顯著增加，該峰主要歸屬于核酸的腺嘌呤，其強度的增強表明金溶膠有效地增強了核酸分子的拉曼信號。1471cm^{-1}處的峰強度同樣大幅提升，此峰也與核酸相關(guān)，進一步證明了金溶膠對核酸拉曼信號的增強作用。通過對多個樣本的測量和統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)加入金溶膠后，這些特征峰的強度平均值相較于未加金溶膠時提高了數(shù)倍甚至數(shù)十倍，充分說明了金溶膠對胃癌組織拉曼信號的強大增強能力。3.2特征峰的歸屬與分析為了準確確定胃癌組織表面增強拉曼光譜中各特征峰所屬的生物分子類別，本研究將實驗所得光譜與常見生物物質(zhì)的拉曼光譜特性進行了細致對比。在623cm^{-1}和656cm^{-1}處出現(xiàn)的峰，主要歸屬于蛋白質(zhì)中的二硫鍵（S-S）伸縮振動。蛋白質(zhì)是構(gòu)成生物體的重要物質(zhì)，在細胞的結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在胃癌組織中，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和含量變化會導(dǎo)致其拉曼光譜特征峰的改變。二硫鍵對于維持蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)具有重要意義，其在胃癌組織中的變化可能反映了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的重塑或功能的異常。例如，某些蛋白質(zhì)在癌變過程中，其折疊方式可能發(fā)生改變，導(dǎo)致二硫鍵的環(huán)境發(fā)生變化，從而在拉曼光譜中表現(xiàn)為這兩個特征峰的強度和位置變化。724cm^{-1}處的峰可歸屬至核酸的腺嘌呤。核酸是遺傳信息的攜帶者，包括DNA和RNA。在細胞的生長、分裂和分化過程中，核酸起著至關(guān)重要的作用。胃癌組織中核酸含量和結(jié)構(gòu)的變化與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。腺嘌呤作為核酸的重要組成部分，其在拉曼光譜中的特征峰強度增加，表明胃癌組織中核酸的含量相對較高。這可能是由于癌細胞的快速增殖需要大量的核酸來合成新的DNA和RNA，以滿足細胞分裂和生長的需求。828cm^{-1}處的峰對應(yīng)于酪氨酸的環(huán)呼吸振動。酪氨酸是一種重要的氨基酸，參與蛋白質(zhì)的合成，同時也是一些神經(jīng)遞質(zhì)和激素的前體。在胃癌組織中，該峰強度的變化可能反映了蛋白質(zhì)合成過程的改變，或者與酪氨酸相關(guān)的代謝途徑的異常。例如，癌細胞的代謝活性增強，可能導(dǎo)致酪氨酸的消耗或合成速率發(fā)生變化，進而影響其在拉曼光譜中的特征峰強度。963cm^{-1}處的峰主要來源于糖類的C-O-C伸縮振動。糖類是細胞的重要能源物質(zhì)，同時也參與細胞表面的識別和信號傳導(dǎo)等過程。在胃癌組織中，糖類代謝會發(fā)生顯著改變，癌細胞往往通過增加糖類的攝取和代謝來滿足其快速增殖的能量需求。該特征峰強度的變化可能與胃癌組織中糖類的含量和代謝途徑的改變有關(guān)。1002cm^{-1}處的峰歸屬于苯丙氨酸的環(huán)呼吸振動。苯丙氨酸同樣是構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸之一，其在拉曼光譜中的特征峰變化與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)。在胃癌發(fā)生過程中，蛋白質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，可能導(dǎo)致苯丙氨酸所處的化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，從而使該特征峰的強度和位置發(fā)生相應(yīng)改變。1032cm^{-1}處的峰與糖類的C-C伸縮振動相關(guān)。如前所述，糖類代謝在胃癌組織中發(fā)生改變，該峰強度的變化進一步證實了胃癌組織中糖類含量和結(jié)構(gòu)的變化。癌細胞對糖類的利用方式不同于正常細胞，可能會導(dǎo)致糖類分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而在拉曼光譜中表現(xiàn)為C-C伸縮振動特征峰的改變。1087cm^{-1}處的峰歸屬于核酸的磷酸二酯鍵的反對稱伸縮振動。核酸的磷酸二酯鍵對于維持核酸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要。在胃癌組織中，核酸的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，可能會影響磷酸二酯鍵的振動特性，進而在拉曼光譜中表現(xiàn)為該特征峰的變化。例如，DNA的損傷、修復(fù)或甲基化等過程都可能導(dǎo)致磷酸二酯鍵的環(huán)境發(fā)生變化，從而使拉曼光譜中的特征峰強度和位置發(fā)生改變。1128cm^{-1}處的峰對應(yīng)于脂類的C-H伸縮振動。脂類是細胞膜的主要組成成分，同時也參與能量儲存和信號傳導(dǎo)等過程。在胃癌組織中，脂類代謝會發(fā)生異常，癌細胞的膜結(jié)構(gòu)和功能也會發(fā)生改變。該特征峰強度的變化可能反映了胃癌組織中脂類含量和結(jié)構(gòu)的變化，例如細胞膜的流動性改變、脂類的過氧化增加等。1244cm^{-1}處的峰與蛋白質(zhì)的酰胺III帶相關(guān)。蛋白質(zhì)的酰胺III帶包含了蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的信息，如α-螺旋、β-折疊等。在胃癌組織中，蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變，這與癌細胞的異常增殖和分化有關(guān)。通過分析該特征峰的變化，可以了解胃癌組織中蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的改變情況，為研究胃癌的發(fā)病機制提供重要線索。1329cm^{-1}處的峰歸屬于核酸的腺嘌呤，與724cm^{-1}處的峰相互印證，進一步表明胃癌組織中核酸含量的增加。腺嘌呤在核酸中的含量和狀態(tài)變化，會在不同波數(shù)處的拉曼光譜特征峰上體現(xiàn)出來，這些峰的變化共同反映了胃癌組織中核酸的異常。1367cm^{-1}處的峰與核酸的腺嘌呤以及脂類的C-H彎曲振動有關(guān)。這表明在胃癌組織中，核酸和脂類的變化存在一定的關(guān)聯(lián)。癌細胞的快速增殖不僅需要大量的核酸，也會對脂類的代謝和膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。該特征峰同時反映了核酸和脂類的變化，提示我們在研究胃癌時，需要綜合考慮多種生物分子的相互作用。1471cm^{-1}處的峰主要歸屬于核酸的腺嘌呤，再次證實了胃癌組織中核酸含量的升高。核酸在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的重要作用，使得其成為拉曼光譜研究胃癌的關(guān)鍵生物分子之一。通過對該特征峰的分析，可以進一步了解核酸在胃癌組織中的變化規(guī)律。1597cm^{-1}處的峰與核酸的鳥嘌呤相關(guān)。鳥嘌呤是核酸的另一種重要堿基，其在拉曼光譜中的特征峰變化同樣反映了核酸結(jié)構(gòu)和含量的改變。在胃癌組織中，鳥嘌呤的含量和狀態(tài)變化與癌細胞的遺傳信息傳遞和調(diào)控密切相關(guān)，研究該特征峰有助于深入理解胃癌的分子機制。1723cm^{-1}處的峰歸屬于脂類的C=O伸縮振動。脂類的C=O伸縮振動特征峰的變化，反映了胃癌組織中脂類的結(jié)構(gòu)和含量改變。脂類在細胞膜的穩(wěn)定性、細胞間通訊等方面具有重要作用，其在胃癌組織中的變化可能影響細胞的正常功能，進而促進腫瘤的發(fā)展。綜上所述，通過對胃癌組織表面增強拉曼光譜特征峰的歸屬分析，我們可以清晰地了解到胃癌組織中核酸、蛋白質(zhì)、糖類及脂類等生物分子的含量和結(jié)構(gòu)變化。這些變化與胃癌的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，為進一步深入研究胃癌的發(fā)病機制提供了重要的分子層面信息。同時，也為基于表面增強拉曼光譜技術(shù)的胃癌診斷方法提供了理論基礎(chǔ)，通過檢測這些特征峰的變化，有望實現(xiàn)對胃癌的早期、準確診斷。3.3胃癌組織與正常組織SERS差異3.3.1組織層面的光譜差異通過對胃癌組織與正常組織的表面增強拉曼光譜進行詳細對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者在多個特征峰處存在顯著的強度差異。在724cm^{-1}處，該峰主要歸屬于核酸的腺嘌呤，胃癌組織的峰強度明顯高于正常組織。這表明在胃癌組織中，核酸的含量相對較高，可能是由于癌細胞的快速增殖需要大量的核酸來支持DNA的復(fù)制和基因表達，以滿足細胞不斷分裂和生長的需求。例如，癌細胞在進行有絲分裂時，需要合成大量的DNA，從而導(dǎo)致核酸中腺嘌呤的含量增加，在拉曼光譜上表現(xiàn)為724cm^{-1}處峰強度升高。在1244cm^{-1}處，該峰與蛋白質(zhì)的酰胺III帶相關(guān)，反映了蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)信息。胃癌組織在此處的峰強度也高于正常組織，這可能意味著胃癌組織中蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)對于其功能的正常發(fā)揮至關(guān)重要，在胃癌發(fā)生過程中，癌細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)可能會受到各種因素的影響，如基因突變、細胞內(nèi)環(huán)境改變等，導(dǎo)致其二級結(jié)構(gòu)發(fā)生重塑，進而影響蛋白質(zhì)的功能，在拉曼光譜上體現(xiàn)為1244cm^{-1}處峰強度的變化。1329cm^{-1}和1367cm^{-1}處的峰同樣與核酸的腺嘌呤有關(guān)，胃癌組織在這兩個峰位處的強度也高于正常組織，進一步證實了胃癌組織中核酸含量的增加。這些核酸相關(guān)峰強度的變化，共同揭示了胃癌組織在分子層面上核酸代謝的異?；钴S，與癌細胞的快速增殖和惡性生物學(xué)行為密切相關(guān)。1597cm^{-1}處的峰歸屬于核酸的鳥嘌呤，胃癌組織在該峰位的強度較高，表明胃癌組織中鳥嘌呤的含量或其所處的化學(xué)環(huán)境發(fā)生了改變。鳥嘌呤是核酸的重要組成部分，其變化可能影響核酸的結(jié)構(gòu)和功能，進而影響細胞的遺傳信息傳遞和調(diào)控過程。相反，在828cm^{-1}處，該峰對應(yīng)于酪氨酸的環(huán)呼吸振動，胃癌組織的峰強度低于正常組織。這可能反映出胃癌組織中酪氨酸相關(guān)的代謝途徑或蛋白質(zhì)合成過程發(fā)生了改變。酪氨酸作為一種重要的氨基酸，參與蛋白質(zhì)的合成以及一些神經(jīng)遞質(zhì)和激素的合成，其在胃癌組織中的含量變化可能影響細胞的正常生理功能。1002cm^{-1}處的峰歸屬于苯丙氨酸的環(huán)呼吸振動，胃癌組織在此處的峰強度低于正常組織。這可能與胃癌組織中蛋白質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)改變有關(guān)，苯丙氨酸作為蛋白質(zhì)的組成氨基酸之一，其在拉曼光譜中的峰強度變化，暗示了蛋白質(zhì)在胃癌發(fā)生過程中的變化情況。1128cm^{-1}處的峰對應(yīng)于脂類的C-H伸縮振動，胃癌組織的峰強度低于正常組織，說明胃癌組織中脂類的含量或結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。脂類是細胞膜的重要組成成分，其變化可能影響細胞膜的流動性、穩(wěn)定性以及細胞間的信號傳導(dǎo)等過程，進而影響癌細胞的生物學(xué)行為。通過對這些具有顯著區(qū)分性峰位的分析，可以看出胃癌組織與正常組織在核酸、蛋白質(zhì)和脂類等生物分子的含量和結(jié)構(gòu)上存在明顯差異。這些差異為基于表面增強拉曼光譜技術(shù)的胃癌診斷提供了重要的依據(jù)，通過檢測這些特征峰的強度變化，有望實現(xiàn)對胃癌組織的準確識別和診斷。3.3.2組織勻漿層面的光譜差異癌組織勻漿與正常組織勻漿的表面增強拉曼光譜也存在明顯差異。在623cm^{-1}和656cm^{-1}處，這兩個峰主要歸屬于蛋白質(zhì)中的二硫鍵（S-S）伸縮振動，癌組織勻漿在這兩個峰位處的強度高于正常組織勻漿。這表明在癌組織勻漿中，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和含量發(fā)生了改變，二硫鍵對于維持蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性具有重要作用，其含量或狀態(tài)的變化可能影響蛋白質(zhì)的功能。例如，某些蛋白質(zhì)在癌變過程中，其折疊方式可能發(fā)生改變，導(dǎo)致二硫鍵的形成或斷裂，從而在拉曼光譜中表現(xiàn)為這兩個特征峰強度的變化。724cm^{-1}處的峰歸屬于核酸的腺嘌呤，癌組織勻漿在此處的峰強度顯著高于正常組織勻漿，這與組織層面的結(jié)果一致，進一步證明了癌組織中核酸含量的升高。如前所述，癌細胞的快速增殖需要大量的核酸，使得核酸中腺嘌呤的含量增加，在拉曼光譜上體現(xiàn)為724cm^{-1}處峰強度的增強。963cm^{-1}處的峰來源于糖類的C-O-C伸縮振動，癌組織勻漿在該峰位的強度高于正常組織勻漿，提示癌組織勻漿中糖類的含量或代謝途徑發(fā)生了改變。癌細胞的代謝活性增強，往往會增加對糖類的攝取和利用，以滿足其快速增殖的能量需求，這可能導(dǎo)致糖類分子的結(jié)構(gòu)和含量發(fā)生變化，在拉曼光譜中表現(xiàn)為963cm^{-1}處峰強度的改變。1087cm^{-1}處的峰歸屬于核酸的磷酸二酯鍵的反對稱伸縮振動，癌組織勻漿在此處的峰強度較高，表明癌組織勻漿中核酸的結(jié)構(gòu)和含量發(fā)生了變化。核酸的磷酸二酯鍵對于維持核酸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要，在癌組織中，核酸的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等過程異?；钴S，可能導(dǎo)致磷酸二酯鍵的環(huán)境發(fā)生改變，從而在拉曼光譜中表現(xiàn)為1087cm^{-1}處峰強度的變化。1367cm^{-1}和1471cm^{-1}處的峰與核酸的腺嘌呤以及脂類的C-H彎曲振動有關(guān)，癌組織勻漿在這兩個峰位的強度高于正常組織勻漿。這不僅反映了癌組織勻漿中核酸含量的增加，還暗示了核酸和脂類代謝之間的相互關(guān)聯(lián)。癌細胞的快速增殖過程中，核酸和脂類的代謝都發(fā)生了改變，它們之間可能存在著某種協(xié)同作用，共同影響著癌細胞的生物學(xué)行為。1597cm^{-1}處的峰與核酸的鳥嘌呤相關(guān)，癌組織勻漿在該峰位的強度較高，再次證實了癌組織勻漿中核酸結(jié)構(gòu)和含量的改變。鳥嘌呤在核酸的遺傳信息傳遞和調(diào)控中起著重要作用，其在癌組織勻漿中的變化可能影響核酸的功能，進而影響癌細胞的生長和分化。1723cm^{-1}處的峰歸屬于脂類的C=O伸縮振動，癌組織勻漿在此處的峰強度高于正常組織勻漿，說明癌組織勻漿中脂類的結(jié)構(gòu)和含量發(fā)生了改變。脂類在細胞膜的穩(wěn)定性、細胞間通訊等方面具有重要作用，其在癌組織勻漿中的變化可能影響細胞的正常功能，促進癌細胞的增殖和轉(zhuǎn)移。與組織層面的差異相比，組織勻漿層面的光譜差異在某些峰位上表現(xiàn)得更為明顯，這可能是由于在組織勻漿過程中，細胞結(jié)構(gòu)被破壞，生物分子釋放出來，使得它們與金溶膠的接觸更加充分，從而更能體現(xiàn)出癌組織與正常組織在分子層面上的差異。同時，組織勻漿層面的光譜差異也進一步驗證了組織層面的結(jié)果，為深入理解胃癌組織的分子特征提供了更多的證據(jù)。3.3.3勻漿上清層面的光譜差異癌上清與正常上清的表面增強拉曼光譜同樣存在顯著差異。在623cm^{-1}和656cm^{-1}處，癌上清在這兩個與蛋白質(zhì)二硫鍵相關(guān)的峰位處強度較高，這與癌組織勻漿的結(jié)果一致，表明癌上清中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和含量發(fā)生了改變。蛋白質(zhì)二硫鍵的變化可能影響蛋白質(zhì)的功能，進而影響細胞的生理過程。例如，一些與細胞信號傳導(dǎo)、代謝調(diào)節(jié)等相關(guān)的蛋白質(zhì)，其二硫鍵的改變可能導(dǎo)致細胞信號通路的異常激活或抑制，從而促進癌細胞的生長和發(fā)展。724cm^{-1}處核酸腺嘌呤的峰強度，癌上清明顯高于正常上清，再次證明了癌上清中核酸含量的增加。癌細胞在生長和增殖過程中，會不斷合成核酸，這些核酸會釋放到上清液中，使得癌上清中核酸的含量升高，在拉曼光譜上表現(xiàn)為724cm^{-1}處峰強度的增強。963cm^{-1}處糖類C-O-C伸縮振動的峰強度，癌上清高于正常上清，這與癌組織勻漿的情況相似，提示癌上清中糖類的代謝發(fā)生了改變。癌細胞對糖類的攝取和利用增加，導(dǎo)致糖類分子的結(jié)構(gòu)和含量發(fā)生變化，在拉曼光譜中表現(xiàn)為963cm^{-1}處峰強度的改變。這種糖類代謝的異?？赡転榘┘毎峁└嗟哪芰?，支持其快速增殖。1087cm^{-1}處核酸磷酸二酯鍵反對稱伸縮振動的峰強度，癌上清較高，表明癌上清中核酸的結(jié)構(gòu)和含量發(fā)生了變化。核酸的磷酸二酯鍵在維持核酸結(jié)構(gòu)和功能方面起著關(guān)鍵作用，癌上清中該峰強度的變化，反映了核酸在癌細胞代謝過程中的改變。例如，核酸的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等過程異常，可能導(dǎo)致磷酸二酯鍵的形成或斷裂，從而在拉曼光譜中表現(xiàn)為1087cm^{-1}處峰強度的變化。1367cm^{-1}和1471cm^{-1}處與核酸腺嘌呤和脂類C-H彎曲振動相關(guān)的峰強度，癌上清高于正常上清，這不僅體現(xiàn)了癌上清中核酸含量的增加，還暗示了核酸和脂類代謝之間的相互作用。在癌細胞中，核酸和脂類的代謝可能存在著某種關(guān)聯(lián)，共同影響著癌細胞的生物學(xué)行為。例如，核酸的合成需要脂類提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ)，而脂類的代謝也可能受到核酸表達的調(diào)控，這種相互作用在癌上清的拉曼光譜中得到了體現(xiàn)。1597cm^{-1}處核酸鳥嘌呤的峰強度，癌上清較高，進一步證實了癌上清中核酸結(jié)構(gòu)和含量的改變。鳥嘌呤在核酸的遺傳信息傳遞和調(diào)控中具有重要作用，其在癌上清中的變化可能影響核酸的功能，進而影響癌細胞的生長和分化。1723cm^{-1}處脂類C=O伸縮振動的峰強度，癌上清高于正常上清，說明癌上清中脂類的結(jié)構(gòu)和含量發(fā)生了改變。脂類在細胞膜的穩(wěn)定性、細胞間通訊等方面起著重要作用，其在癌上清中的變化可能影響細胞的正常功能，促進癌細胞的增殖和轉(zhuǎn)移。例如，脂類的組成和結(jié)構(gòu)改變可能影響細胞膜的流動性和通透性，使得癌細胞更容易與周圍環(huán)境進行物質(zhì)交換和信號傳遞，從而促進其生長和擴散。這些差異對胃癌診斷具有潛在的重要意義。由于勻漿上清是細胞代謝產(chǎn)物和釋放物質(zhì)的混合物，其中的生物分子變化更能反映癌細胞的代謝狀態(tài)和生物學(xué)行為。通過檢測癌上清與正常上清的表面增強拉曼光譜差異，可以獲取更多關(guān)于胃癌的分子信息，有望為胃癌的早期診斷提供一種新的、無創(chuàng)或微創(chuàng)的檢測方法。例如，可以開發(fā)基于拉曼光譜技術(shù)的生物傳感器，對患者的組織勻漿上清進行快速檢測，根據(jù)光譜特征判斷是否存在胃癌，為臨床診斷提供參考依據(jù)。同時，這些光譜差異也有助于深入了解胃癌的發(fā)病機制，為開發(fā)新的治療靶點和治療方法提供理論基礎(chǔ)。四、基于表面增強拉曼光譜的胃癌診斷模型構(gòu)建與評估4.1數(shù)據(jù)分析方法在處理和分析表面增強拉曼光譜數(shù)據(jù)時，本研究采用了多種先進的數(shù)據(jù)分析方法，以深入挖掘光譜數(shù)據(jù)中的潛在信息，構(gòu)建準確可靠的胃癌診斷模型。偏最小二乘法（PartialLeastSquares，PLS）是一種常用的多元統(tǒng)計分析方法，在拉曼光譜數(shù)據(jù)分析中具有重要應(yīng)用。其基本原理是通過對自變量（光譜數(shù)據(jù)）和因變量（如樣本的類別，即胃癌組織或正常組織）進行同時分解，提取出對因變量具有最大解釋能力的成分，從而建立起自變量和因變量之間的回歸模型。在本研究中，對于表面增強拉曼光譜數(shù)據(jù)，PLS能夠有效處理高維數(shù)據(jù)，克服數(shù)據(jù)中的多重共線性問題。例如，光譜數(shù)據(jù)中不同波數(shù)處的信號可能存在一定的相關(guān)性，PLS可以通過提取主成分，將這些相關(guān)的變量綜合為少數(shù)幾個互不相關(guān)的成分，這些成分不僅包含了原始數(shù)據(jù)的大部分信息，還能夠更好地反映樣本之間的差異。通過建立PLS回歸模型，可以根據(jù)光譜數(shù)據(jù)預(yù)測樣本所屬的類別，為胃癌的診斷提供初步的依據(jù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork，ANN）是一種模擬人類大腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能的計算模型，具有強大的非線性映射能力和自學(xué)習(xí)能力。在拉曼光譜數(shù)據(jù)分析中，ANN可以通過學(xué)習(xí)大量的光譜數(shù)據(jù)樣本，自動提取光譜特征與樣本類別之間的復(fù)雜關(guān)系。以多層感知器（MultilayerPerceptron，MLP）為例，它是一種典型的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱藏層和輸出層組成。在本研究中，將表面增強拉曼光譜數(shù)據(jù)作為輸入層的節(jié)點，通過隱藏層中神經(jīng)元的非線性變換，對光譜數(shù)據(jù)進行特征提取和模式識別，最終在輸出層得到樣本屬于胃癌組織或正常組織的概率。ANN的優(yōu)勢在于能夠處理復(fù)雜的非線性問題，對于表面增強拉曼光譜數(shù)據(jù)中復(fù)雜的光譜特征與胃癌診斷之間的關(guān)系，能夠通過自身的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練進行準確的建模和預(yù)測。在訓(xùn)練過程中，通過不斷調(diào)整神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，使ANN能夠?qū)σ阎獦颖具M行準確分類，并且在面對新的未知樣本時，也能夠根據(jù)學(xué)習(xí)到的模式進行準確的診斷預(yù)測。主成分分析（PrincipalComponentAnalysis，PCA）是一種常用的數(shù)據(jù)降維方法，它通過線性變換將原始的高維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一組線性無關(guān)的低維數(shù)據(jù)，這些低維數(shù)據(jù)被稱為主成分。在表面增強拉曼光譜數(shù)據(jù)分析中，PCA可以有效地去除數(shù)據(jù)中的噪聲和冗余信息，提取光譜數(shù)據(jù)的主要特征。例如，將原始的光譜數(shù)據(jù)矩陣進行PCA分析，得到的主成分能夠反映光譜數(shù)據(jù)在不同方向上的變化趨勢，其中前幾個主成分往往包含了光譜數(shù)據(jù)的大部分信息。通過PCA分析，可以將高維的光譜數(shù)據(jù)映射到低維空間中，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維。在低維空間中，不同樣本之間的分布差異更加明顯，便于進行可視化分析和進一步的分類處理。例如，可以通過繪制主成分得分圖，直觀地觀察胃癌組織和正常組織在主成分空間中的分布情況，判斷兩者之間是否存在明顯的聚類差異，為后續(xù)的診斷模型構(gòu)建提供基礎(chǔ)。判別分析（DiscriminantAnalysis，DA）是一種用于分類和判別樣本所屬類別的統(tǒng)計方法，它通過尋找一個或多個判別函數(shù)，將樣本的特征變量映射到一個低維空間中，使得不同類別的樣本在這個空間中能夠得到最大程度的分離。在拉曼光譜數(shù)據(jù)分析中，常用的判別分析方法有線性判別分析（LinearDiscriminantAnalysis，LDA）和二次判別分析（QuadraticDiscriminantAnalysis，QDA）。LDA假設(shè)不同類別的樣本數(shù)據(jù)服從高斯分布，并且具有相同的協(xié)方差矩陣，通過尋找一個線性變換，將樣本數(shù)據(jù)投影到一個低維空間中，使得不同類別的樣本在投影空間中的類間距離最大，類內(nèi)距離最小。QDA則不要求不同類別的樣本具有相同的協(xié)方差矩陣，它通過構(gòu)建二次判別函數(shù)來實現(xiàn)樣本的分類。在本研究中，將表面增強拉曼光譜數(shù)據(jù)作為特征變量，利用LDA或QDA方法建立判別模型，對胃癌組織和正常組織進行分類判別。通過計算判別函數(shù)的值，可以確定樣本所屬的類別，評估模型的分類準確率和可靠性。支持向量機（SupportVectorMachine，SVM）是一種基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的分類算法，它通過尋找一個最優(yōu)的分類超平面，將不同類別的樣本在特征空間中進行分隔。在拉曼光譜數(shù)據(jù)分析中，SVM能夠處理非線性分類問題，通過引入核函數(shù)，將低維的光譜數(shù)據(jù)映射到高維空間中，在高維空間中尋找最優(yōu)分類超平面。例如，常用的核函數(shù)有徑向基函數(shù)（RadialBasisFunction，RBF）、多項式核函數(shù)等。以RBF核函數(shù)為例，它能夠?qū)颖緮?shù)據(jù)映射到一個無限維的特征空間中，使得原本在低維空間中線性不可分的樣本在高維空間中變得線性可分。在本研究中，將表面增強拉曼光譜數(shù)據(jù)作為SVM的輸入特征，通過訓(xùn)練SVM模型，尋找最優(yōu)的分類超平面，實現(xiàn)對胃癌組織和正常組織的準確分類。SVM具有較好的泛化能力和分類性能，能夠在有限的樣本數(shù)據(jù)下，構(gòu)建出準確可靠的診斷模型。4.2診斷模型的構(gòu)建在構(gòu)建胃癌診斷模型時，本研究選用了偏最小二乘法（PLS）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、主成分分析（PCA）結(jié)合判別分析（DA）以及支持向量機（SVM）等方法，并以組織勻漿上清的表面增強拉曼光譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。以偏最小二乘法（PLS）為例，首先將組織勻漿上清的表面增強拉曼光譜數(shù)據(jù)進行標準化處理，消除不同變量之間量綱的影響，使得所有變量具有相同的尺度。然后，將處理后的光譜數(shù)據(jù)作為自變量，樣本的類別（胃癌組織或正常組織）作為因變量，輸入到PLS算法中。在建模過程中，PLS算法會自動提取光譜數(shù)據(jù)中的主成分，這些主成分是原始光譜變量的線性組合，能夠最大程度地解釋樣本類別與光譜數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。通過不斷調(diào)整主成分的數(shù)量和模型參數(shù)，如交叉驗證的次數(shù)等，使模型達到最佳的擬合效果。最終建立起基于PLS的胃癌診斷模型，該模型可以根據(jù)輸入的光譜數(shù)據(jù)預(yù)測樣本所屬的類別。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的構(gòu)建過程則更為復(fù)雜。本研究采用了多層感知器（MLP）作為ANN的模型結(jié)構(gòu)，確定輸入層節(jié)點數(shù)量為光譜數(shù)據(jù)的特征數(shù)量，即不同波數(shù)處的光譜強度值數(shù)量；隱藏層設(shè)置為2-3層，節(jié)點數(shù)量通過實驗和經(jīng)驗進行調(diào)整，例如可以從10個節(jié)點開始，逐步增加節(jié)點數(shù)量，觀察模型性能的變化，以確定最優(yōu)的節(jié)點數(shù)量；輸出層節(jié)點數(shù)量為2，分別代表胃癌組織和正常組織。在訓(xùn)練過程中，使用大量的光譜數(shù)據(jù)樣本對ANN進行訓(xùn)練，采用反向傳播算法來調(diào)整神經(jīng)元之間的連接權(quán)重。通過不斷迭代訓(xùn)練，使ANN學(xué)習(xí)到光譜特征與樣本類別之間的復(fù)雜映射關(guān)系。當訓(xùn)練完成后，輸入新的光譜數(shù)據(jù)，ANN能夠根據(jù)學(xué)習(xí)到的模式預(yù)測樣本的類別。主成分分析（PCA）結(jié)合判別分析（DA）的建模步驟如下：先對組織勻漿上清的表面增強拉曼光譜數(shù)據(jù)進行PCA分析，將高維的光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低維的主成分數(shù)據(jù)。在PCA分析過程中，計算光譜數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，通過特征值分解得到主成分的方向和方差貢獻率。選擇方差貢獻率較大的前幾個主成分，這些主成分包含了原始光譜數(shù)據(jù)的主要信息，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)降維。然后，將降維后的主成分數(shù)據(jù)作為輸入，利用判別分析（如線性判別分析LDA）建立判別模型。LDA的目標是尋找一個線性變換，將樣本數(shù)據(jù)投影到一個低維空間中，使得不同類別的樣本在投影空間中的類間距離最大，類內(nèi)距離最小。通過計算判別函數(shù)的值，對新的光譜數(shù)據(jù)進行分類判別，確定樣本屬于胃癌組織還是正常組織。支持向量機（SVM）模型的構(gòu)建需要選擇合適的核函數(shù)，本研究選用徑向基函數(shù)（RBF）作為核函數(shù)。首先對光譜數(shù)據(jù)進行歸一化處理，將數(shù)據(jù)映射到[0,1]或[-1,1]區(qū)間內(nèi)，以提高模型的訓(xùn)練效率和泛化能力。然后，將歸一化后的光譜數(shù)據(jù)作為SVM的輸入特征，樣本類別作為標簽，通過訓(xùn)練尋找最優(yōu)的分類超平面。在訓(xùn)練過程中，需要調(diào)整SVM的參數(shù)，如懲罰參數(shù)C和核函數(shù)參數(shù)γ。懲罰參數(shù)C用于控制模型對錯誤分類樣本的懲罰程度，C值越大，模型對錯誤分類的懲罰越重，模型復(fù)雜度越高；核函數(shù)參數(shù)γ則決定了核函數(shù)的寬度，γ值越大，支持向量的作用范圍越小，模型的復(fù)雜度也越高。通過交叉驗證等方法，確定最優(yōu)的參數(shù)組合，使得SVM模型在訓(xùn)練集和測試集上都具有較好的分類性能。最終建立的SVM模型能夠根據(jù)輸入的光譜數(shù)據(jù)準確地判斷樣本是否為胃癌組織。4.3模型性能評估為了全面、準確地評估基于表面增強拉曼光譜構(gòu)建的胃癌診斷模型的性能，本研究采用了多種評估指標，并進行了嚴格的交叉驗證。靈敏度（Sensitivity），又稱為真陽性率，它反映了模型正確識別出胃癌組織樣本的能力。其計算公式為：靈敏度=真陽性樣本數(shù)/（真陽性樣本數(shù)+假陰性樣本數(shù)）。在本研究中，真陽性樣本是指被模型正確判斷為胃癌組織的樣本，假陰性樣本則是實際為胃癌組織但被模型誤判為正常組織的樣本。較高的靈敏度意味著模型能夠有效地檢測出更多的胃癌病例，減少漏診的可能性。特異度（Specificity），即真陰性率，用于衡量模型正確識別出正常組織樣本的能力。其計算公式為：特異度=真陰性樣本數(shù)/（真陰性樣本數(shù)+假陽性樣本數(shù)）。其中，真陰性樣本是被模型正確判斷為正常組織的樣本，假陽性樣本是實際為正常組織卻被模型誤判為胃癌組織的樣本。特異度越高，說明模型對正常樣本的判斷越準確，誤診的概率越低。準確率（Accuracy）是綜合考慮真陽性、真陰性、假陽性和假陰性樣本后的評估指標，它表示模型正確判斷樣本類別的比例。計算公式為：準確率=（真陽性樣本數(shù)+真陰性樣本數(shù)）/總樣本數(shù)。準確率反映了模型整體的分類準確性，能夠直觀地展示模型在區(qū)分胃癌組織和正常組織方面的表現(xiàn)。以偏最小二乘法（PLS）構(gòu)建的診斷模型為例，在對測試集進行預(yù)測時，共包含[X1]個樣本，其中實際為胃癌組織的樣本有[Y1]個，實際為正常組織的樣本有[Z1]個。模型正確識別出的胃癌組織樣本（真陽性）有[TP1]個，誤判為胃癌組織的正常組織樣本（假陽性）有[FP1]個，實際為胃癌組織卻被誤判為正常組織的樣本（假陰性）有[FN1]個，正確識別出的正常組織樣本（真陰性）有[TN1]個。根據(jù)上述公式計算可得，該模型的靈敏度=[TP1]/（[TP1]+[FN1]）=[具體靈敏度數(shù)值1]，特異度=[TN1]/（[TN1]+[FP1]）=[具體特異度數(shù)值1]，準確率=（[TP1]+[TN1]）/（[TP1]+[TN1]+[FP1]+[FN1]）=[具體準確率數(shù)值1]。為了確保模型的可靠性和泛化能力，本研究采用了k折交叉驗證（k-foldCross-Validation）方法。具體操作是將原始數(shù)據(jù)集隨機劃分為k個大小相等的子集，在每次迭代中，將其中一個子集作為測試集，其余k-1個子集作為訓(xùn)練集。例如，當k=5時，進行5次迭代，每次迭代都使用不同的子集作為測試集，對模型進行訓(xùn)練和測試。通過這種方式，可以充分利用所有數(shù)據(jù)進行模型訓(xùn)練和評估，避免了因數(shù)據(jù)集劃分方式不同而導(dǎo)致的結(jié)果偏差。在每次迭代中，計算模型的靈敏度、特異度和準確率等指標，并取平均值作為最終的評估結(jié)果。以支持向量機（SVM）模型為例，經(jīng)過5折交叉驗證后，其靈敏度平均值為[具體靈敏度均值2]，特異度平均值為[具體特異度均值2]，準確率平均值為[具體準確率均值2]，這些指標反映了SVM模型在不同數(shù)據(jù)集劃分情況下的性能表現(xiàn)，使其評估結(jié)果更加可靠和穩(wěn)定。將不同模型的性能指標進行對比分析，發(fā)現(xiàn)支持向量機（SVM）模型在靈敏度、特異度和準確率等方面表現(xiàn)較為出色。其靈敏度達到了[較高靈敏度數(shù)值]，表明該模型能夠準確地檢測出大部分胃癌組織樣本；特異度也相對較高，為[較高特異度數(shù)值]，說明對正常組織樣本的誤判率較低；準確率達到了[較高準確率數(shù)值]，整體性能優(yōu)于其他模型。這可能是由于SVM模型能夠通過核函數(shù)將低維的光譜數(shù)據(jù)映射到高維空間中，在高維空間中尋找最優(yōu)分類超平面，從而更好地處理光譜數(shù)據(jù)中的非線性關(guān)系，提高了模型的分類能力。而偏最小二乘法（PLS）模型雖然在某些情況下也能取得較好的結(jié)果，但在處理復(fù)雜的光譜數(shù)據(jù)時，可能由于其線性回歸的本質(zhì)，對數(shù)據(jù)中的非線性特征捕捉能力有限，導(dǎo)致其性能相對較弱。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模型雖然具有強大的非線性映射能力，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，在本研究中其性能表現(xiàn)不如SVM模型穩(wěn)定。主成分分析（PCA）結(jié)合判別分析（DA）模型在數(shù)據(jù)降維方面具有一定優(yōu)勢，但在分類精度上相對SVM模型仍有提升空間。通過對模型性能的評估和對比分析，可以看出不同模型在基于表面增強拉曼光譜的胃癌診斷中各有優(yōu)劣。支持向量機（SVM）模型在本研究中表現(xiàn)出了較好的性能，具有較高的靈敏度、特異度和準確率，為基于表面增強拉曼光譜技術(shù)的胃癌診斷提供了一種可靠的方法。然而，每種模型都存在一定的局限性，未來的研究可以進一步優(yōu)化模型參數(shù)，結(jié)合多種模型的優(yōu)勢，或者探索新的數(shù)據(jù)分析方法，以提高胃癌診斷模型的性能和準確性，為胃癌的臨床診斷提供更有力的支持。五、討論5.1實驗結(jié)果的合理性分析從實驗結(jié)果來看，金溶膠對胃癌組織拉曼信號的增強效果顯著，這與表面增強拉曼光譜的原理相符。金溶膠中的金納米粒子具有表面等離子體共振效應(yīng)，當受到激光激發(fā)時，其表面的自由電子會發(fā)生集體振蕩，產(chǎn)生強烈的局域電磁場增強。這種增強的電磁場能夠顯著增強吸附在金納米粒子表面的生物分子的拉曼散射信號，使得原本微弱的拉曼信號得以被清晰檢測。例如，在本實驗中，未加金溶膠時，胃癌組織的拉曼信號極其微弱，僅在少數(shù)幾個波數(shù)處存在非常弱的拉曼峰；而加入金溶膠后，在多個波數(shù)處出現(xiàn)了明顯增強的拉曼峰，這充分證明了金溶膠的增強作用。對于胃癌組織與正常組織在表面增強拉曼光譜上的差異，從分子層面來看也具有合理性。在胃癌組織中，核酸含量的增加與癌細胞的快速增殖密切相關(guān)。癌細胞需要不斷合成DNA和RNA來支持其無限增殖的特性，這就導(dǎo)致核酸中的腺嘌呤等成分含量升高，在拉曼光譜上表現(xiàn)為與核酸相關(guān)的特征峰強度增強，如724cm^{-1}、1329cm^{-1}、1367cm^{-1}、1471cm^{-1}等波數(shù)處的峰。同時，蛋白質(zhì)和脂類相關(guān)峰強度的變化也反映了癌細胞代謝和結(jié)構(gòu)的改變。癌細胞的代謝活性增強，可能會消耗更多的蛋白質(zhì)和脂類來提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ)，導(dǎo)致其含量降低，在拉曼光譜上表現(xiàn)為相應(yīng)特征峰強度的減弱，如828cm^{-1}（酪氨酸）、1002cm^{-1}（苯丙氨酸）、1128cm^{-1}（脂類C-H伸縮振動）等波數(shù)處的峰。在構(gòu)建診斷模型時，不同方法的性能差異也有其內(nèi)在原因。支持向量機（SVM）模型表現(xiàn)出色，這主要得益于其強大的非線性分類能力。通過核函數(shù)將低維的光譜數(shù)據(jù)映射到高維空間，SVM能夠更好地處理光譜數(shù)據(jù)中的復(fù)雜非線性關(guān)系，從而找到最優(yōu)的分類超平面，實現(xiàn)對胃癌組織和正常組織的準確分類。而偏最小二乘法（PLS）作為一種線性回歸方法，在處理具有復(fù)雜非線性特征的光譜數(shù)據(jù)時存在一定的局限性，難以準確捕捉數(shù)據(jù)中的復(fù)雜關(guān)系，導(dǎo)致其性能相對較弱。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）雖然具有強大的非線性映射能力，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，在本研究中其性能表現(xiàn)不如SVM模型穩(wěn)定。主成分分析（PCA）結(jié)合判別分析（DA）模型在數(shù)據(jù)降維方面具有優(yōu)勢，能夠提取光譜數(shù)據(jù)的主要特征，但在分類精度上相對SVM模型仍有提升空間。然而，實驗結(jié)果也可能受到一些因素的影響。首先，樣本的選擇和處理可能會對結(jié)果產(chǎn)生影響。本實驗中雖然收集了一定數(shù)量的樣本，但樣本的代表性仍可能存在局限性。不同患者的個體差異，如年齡、性別、生活習(xí)慣、遺傳因素等，以及胃癌的不同類型和分期，都可能導(dǎo)致胃癌組織的分子組成和結(jié)構(gòu)存在差異，從而影響表面增強拉曼光譜的特征。在樣本處理過程中，如組織勻漿的制備、金溶膠與樣本的混合比例等，若操作不當，也可能會影響拉曼信號的增強效果和光譜特征。其次，實驗條件的穩(wěn)定性也至關(guān)重要。拉曼光譜測量過程中，激光的功率、波長、積分時間等參數(shù)的波動，以及實驗環(huán)境的溫度、濕度變化等，都可能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。例如，激光功率的不穩(wěn)定可能導(dǎo)致拉曼信號強度的波動，從而影響特征峰的強度和位置；環(huán)境溫度和濕度的變化可能會影響生物分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，進而影響拉曼光譜的特征。此外，數(shù)據(jù)分析方法的選擇和參數(shù)設(shè)置也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。不同的數(shù)據(jù)分析方法對光譜數(shù)據(jù)的處理方式和特征提取能力不同，可能會導(dǎo)致診斷模型的性能差異。在使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、訓(xùn)練參數(shù)的選擇等都需要經(jīng)過大量的實驗和優(yōu)化，若設(shè)置不當，可能會導(dǎo)致模型的過擬合或欠擬合，影響診斷的準確性。5.2與其他胃癌診斷方法的比較與傳統(tǒng)的胃癌診斷方法相比，表面增強拉曼光譜技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢。胃鏡檢查作為目前臨床上常用的胃癌診斷方法之一，雖然能夠直接觀察胃部病變情況并進行活檢，獲取病理診斷結(jié)果，但其屬于侵入性檢查，會給患者帶來較大的痛苦。在檢查過程中，患者需要忍受胃鏡通過口腔、食管進入胃部的不適，可能會出現(xiàn)惡心、嘔吐等不良反應(yīng)，部分患者甚至?xí)驗殡y以忍受這種痛苦而拒絕檢查，從而延誤病情。而且，胃鏡檢查還存在一定的風險，如操作不當可能導(dǎo)致出血、穿孔等并發(fā)癥，對患者的身體造成傷害。此外，胃鏡檢查需要專業(yè)的醫(yī)生進行操作，對醫(yī)生的技術(shù)水平和經(jīng)驗要求較高，且檢查過程較為繁瑣，耗時較長，這在一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用。而表面增強拉曼光譜技術(shù)具有無創(chuàng)的特點，無需對患者進行侵入性操作，避免了患者的痛苦和潛在風險。它可以通過采集患者的組織勻漿上清或其他生物樣本，如血液、唾液等，進行拉曼光譜檢測，從而實現(xiàn)對胃癌的診斷。這種非侵入性的檢測方式更容易被患者接受，有助于提高患者的依從性，使得更多患者能夠及時進行胃癌的篩查和診斷。X射線、超聲以及CT等影像學(xué)檢查也是常見的胃癌診斷手段。X射線檢查雖然操作相對簡單，但對早期胃癌的診斷準確率較低，因為早期胃癌病變通常較為微小，X射線難以清晰捕捉到