光源功率對胃癌患者血清拉曼光譜的影響

陶家友 , 冷愛民, 王華秀, 徐代升, 周菊林

(1. 湖南理工學(xué)院 物理與電子學(xué)院, 湖南 岳陽 414006; 2. 中南大學(xué) 湘雅醫(yī)學(xué)院, 長沙 410000)

光源功率對胃癌患者血清拉曼光譜的影響

陶家友1, 冷愛民2, 王華秀2, 徐代升1, 周菊林1

(1. 湖南理工學(xué)院 物理與電子學(xué)院, 湖南 岳陽 414006; 2. 中南大學(xué) 湘雅醫(yī)學(xué)院, 長沙 410000)

為了研究激光功率對胃癌患者血清拉曼光譜的影響, 對不同功率下胃癌患者血清的拉曼光譜進(jìn)行了分析. 結(jié)果表明:功率太低會(huì)使樣品中的拉曼活性分子不能充分激發(fā), 得到的拉曼光譜受散射本底信號影響較大; 功率太高會(huì)引起樣品發(fā)生光化反應(yīng). 這兩種情況都會(huì)使測量誤差增大. 檢測時(shí)激光最佳的功率約11mW.

功率; 胃癌; 血清; 激光拉曼光譜

引言

人體組織一旦癌變, 就會(huì)在血液中產(chǎn)生多種腫瘤標(biāo)志物[1], 因此, 血清中的腫瘤標(biāo)志物所激發(fā)的拉曼光譜可以作為相關(guān)疾病的輔助診斷依據(jù)[2,3]. 但激光可能引起血清樣品產(chǎn)生光熱效應(yīng)和光化反應(yīng)[4], 影響光譜的重復(fù)性, 形成誤診. 故有必要對光源功率變化產(chǎn)生的不同光譜進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品采集

選經(jīng)病理活檢證實(shí)為胃癌患者15例, 每例手術(shù)前取3ml空腹外周血, 不加任何促凝劑, 靜置4小時(shí)后離心, 4000 r／min/10min, 取上層血清1.0ml于EP管內(nèi), -20℃保存(所有樣品由中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院冷愛民教授提供, 告知病人其用途并征得其同意).

1.2 檢測儀器及方法

用OPT-1A型功率計(jì)測量光源在不同電流下工作的功率.

將標(biāo)品解凍后, 用一次性注射器取出, 注入樣品管中, 消除氣泡, 并固定在樣品架上, 用LRS－III型激光拉曼光譜儀對標(biāo)品進(jìn)行檢測. 激發(fā)光源為波長為532nm的綠激光, 功率可調(diào). 入射、出射狹縫寬度均為0.15mm, 掃描步長為0.1nm, 負(fù)高壓為8, 積分時(shí)間為150ms. 整個(gè)實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 激光功率的測定

首先對激光器的功率進(jìn)行定標(biāo). 測量激光在不同工作電流下的功率, 同一電流測量3次, 結(jié)果見表1.

表1 激光功率與工作電流的關(guān)系

計(jì)算出各測量點(diǎn)的A類不確定度在[0, 0.033]之間, 可見光源的功率穩(wěn)定, 完全可以滿足檢測的需要.

2.2 胃癌患者血清光譜的測定

根據(jù)表1中的定標(biāo), 對15個(gè)樣品在不同功率激光照射下的拉曼光譜進(jìn)行測量. 每個(gè)樣本分別用17.1mW、11.6mW、6.7mW、4.8mW、3.1mW, 1.8mW的激光照射, 每個(gè)功率測量三次. 部分結(jié)果如圖1所示.

圖1 不同激光功率下的胃癌患者血清拉曼光譜

圖1 中, 光譜線從上至下分別對應(yīng)激光功率為17.1mW、11.6mW、6.7mW、4.8mW、3.1mW, 1.8mW拉曼光譜線未在圖1中表示出來. 從圖1中可以得出, 胃癌患者血清中的某些物質(zhì)在激光的照射下, 產(chǎn)生了明顯的拉曼散射, 1～8號特征峰分別位于1767、3049、3597、3999、4689 cm-1cm-、5874、5934、6291. 其中1、5、6、7、8號特征峰可以從健康人血清的拉曼光譜中看到cm-11 cm-1cm-1cm-11cm-1cm-[5], 表明正常細(xì)胞和胃癌細(xì)胞在代謝過程中, 產(chǎn)生某些共同的產(chǎn)物, 其分子激發(fā)的拉曼光譜特征峰相同; 但在胃癌患者的血清拉曼光譜中,這幾處特征峰峰值明顯增大, 說明胃癌細(xì)胞某些代謝過程異?；钴S, 快于正常細(xì)胞, 從而形成更多的代謝產(chǎn)物; 6、7號特征峰相距很近, 波數(shù)僅相差601cm-, 是最強(qiáng)的8號峰對應(yīng)的分子振動(dòng)和次強(qiáng)的1號峰對應(yīng)的分子振動(dòng)之間耦合引起的微擾, 造成6號峰分裂成雙重線; 2、3、4號峰從正常人血清的拉曼光譜中不能讀出, 是某些腫瘤標(biāo)志物分子發(fā)生拉曼散射產(chǎn)生的, 至于是哪些腫瘤標(biāo)志物, 它們的分子結(jié)構(gòu)如何, 有待做進(jìn)一步的研究.

選取5個(gè)較強(qiáng)的特征峰讀取峰值, 在每個(gè)特征峰處, 取15個(gè)樣品峰值的平均值, 得到數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 不同功率下的拉曼峰值

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在不同功率的激光照射下, 隨著測量時(shí)間(次數(shù))的增加, 拉曼峰值呈減小的趨勢, 這表明樣品在激光的照射下, 產(chǎn)生了光熱效應(yīng)和光化反應(yīng),隨時(shí)間增長, 參與光化反應(yīng)的拉曼活性物質(zhì)增多, 轉(zhuǎn)化為其它物質(zhì)失去拉曼活性, 導(dǎo)致拉曼光譜變?nèi)? 但如果一直減小激光的功率, 會(huì)使樣品中的拉曼活性物質(zhì)不能被充分激發(fā), 導(dǎo)致拉曼峰值偏差增大. 為找到最佳的激光激發(fā)功率, 先假設(shè)激光的功率并不足以引起樣本的光化反應(yīng)或光熱效應(yīng), 那么拉曼峰值與激光的功率成正比關(guān)系[6]. 對表2中功率與拉曼峰值平均值做線性相關(guān)分析, 得各特征峰峰值平均值與激光功率的線性相關(guān)系數(shù)見表3.

表3 拉曼峰值平均值與激光功率的線性相關(guān)系數(shù)

從表3可以看出, 5個(gè)拉曼峰的平均峰值與激光功率線性相關(guān)系數(shù)差別很小, 這表明拉曼峰值與激光的功率成正比關(guān)系; 1767cm-1處相關(guān)系數(shù)較小, 原因是前面的拉曼峰靠近強(qiáng)度很大瑞利散射, 受到較強(qiáng)的散射本底信號影響, 導(dǎo)致線性相關(guān)性變差, 隨著波數(shù)的增加拉曼峰遠(yuǎn)離瑞利散射峰, 散射本底信號不斷減弱, 線性相關(guān)性變好.

以1.8mW激光功率所測峰值為起點(diǎn), 將功率增大時(shí)的實(shí)測平均值和理論值比較, 計(jì)算相對誤差見表4.

表4 拉曼峰理論值與實(shí)測值比較

從表4可知, 激光功率小于11.6mw的幾個(gè)測量點(diǎn), 相對誤差較大, 而當(dāng)激光功率大于11.6mw達(dá)到17.1mw時(shí), 相對誤差顯著增大. 可以認(rèn)為當(dāng)激光功率較小時(shí)(小于11.6mw), 誤差的主要來源是樣品中的拉曼活性物質(zhì)沒有被充分激發(fā), 測量值受本底噪聲影響較大從而產(chǎn)生較大的誤差; 當(dāng)激光功率較大時(shí)(大于11.6mw), 誤差的主要來源是樣品在大功率激光照射下產(chǎn)生了明顯的光熱效應(yīng)和光化反應(yīng), 從而使誤差顯著增加; 而在11.6mw時(shí), 理論值與實(shí)測值符合得很好. 所以我們認(rèn)為, 激光功率約11mW為檢測時(shí)的最佳功率.

3 結(jié)論

(1)胃癌細(xì)胞的某些代謝過程異?；钴S, 導(dǎo)致胃癌患者血清的幾個(gè)拉曼光譜特征峰增強(qiáng), 其特征峰雙重線是分子振動(dòng)之間耦合引起的微擾造成的. 隨激光照射時(shí)間增長, 胃癌患者血清光譜拉曼峰值減小. 這是因?yàn)殡S時(shí)間增長, 參與光化反應(yīng)的拉曼活性物質(zhì)增多, 轉(zhuǎn)化為其它物質(zhì)失去拉曼活性, 導(dǎo)致拉曼光譜變?nèi)?

(2)胃癌患者血清的拉曼峰值與激光的功率成正比關(guān)系. 離瑞利散射峰近的拉曼峰, 由于受到較強(qiáng)的散射本底信號影響, 線性相關(guān)性變差, 但隨著波數(shù)的增加拉曼峰遠(yuǎn)離瑞利散射峰, 散射本底信號不斷減弱,線性相關(guān)性變好.

(3)激光照射功率約為11mW時(shí)最佳, 此時(shí)的檢測結(jié)果偏差最小. 太小則不足以充分激發(fā)腫瘤標(biāo)志物產(chǎn)生拉曼散射, 太大則引起光化反應(yīng)強(qiáng)烈, 均會(huì)導(dǎo)致拉曼峰值偏差增大.

實(shí)驗(yàn)表明, 要得到比較理想的血清拉曼光譜, 應(yīng)該采用合適的激光照射功率, 在較短的時(shí)間內(nèi)完成檢測, 否則就會(huì)帶來較大的偏差. 以上結(jié)論對利用激光拉曼光譜進(jìn)行胃癌的輔助診斷有一定的參考意義.

[1] 陳宜剛, 葉 軍. 56例進(jìn)展期胃癌患者SIMA、CEA、CA50、CA19－9聯(lián)合檢測評價(jià)[J]. 中華臨床醫(yī)藥, 2002, 3 (4): 32～33

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[6] 吳思誠, 王祖銓. 近代物理實(shí)驗(yàn)[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 1995: 80～86

The Impact of Light Power on the Raman Spectrum of Serums of Gastric Cancer Patients

TAO Jia-you1,LENG Ai-min2,WANG Hua-xiu2,XU Dai-sheng1,ZHOU Ju-lin1
(1. College of Physics and Electronics, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. XiangYa Hospital, Central South University, Changsha 410000, China)

To study the impact of light power on the Raman spectrum of serum of gastric cancer patients, this paper analyzes the Raman spectra of serum of gastric cancer patients with different laser power. The results show that: if the power is too low, the Raman active molecules of the samples can not be fully excited, thus the impact of scattering background signal on Raman spectra will increases; if the power is too high, it will cause photochemical reactions in the samples. Both situations will cause the measurement error to increase. The best laser power for detection is about 11mW.

power; gastric cancer; serum; Laser Raman spectrum

Q631

A

1672-5298(2010)03-0046-03

2010-06-20

湖南省教育廳項(xiàng)目(08C396)

陶家友(1977- ), 男, 湖南邵陽人, 碩士, 湖南理工學(xué)院物理與電子學(xué)院講師. 主要研究方向: 光電檢測