光源功率对胃癌患者血清拉曼光谱的影响

陶家友 , 冷爱民, 王华秀, 徐代升, 周菊林

(1. 湖南理工学院 物理与电子学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 中南大学 湘雅医学院, 长沙 410000)

光源功率对胃癌患者血清拉曼光谱的影响

陶家友1, 冷爱民2, 王华秀2, 徐代升1, 周菊林1

(1. 湖南理工学院 物理与电子学院, 湖南 岳阳 414006; 2. 中南大学 湘雅医学院, 长沙 410000)

为了研究激光功率对胃癌患者血清拉曼光谱的影响, 对不同功率下胃癌患者血清的拉曼光谱进行了分析. 结果表明:功率太低会使样品中的拉曼活性分子不能充分激发, 得到的拉曼光谱受散射本底信号影响较大; 功率太高会引起样品发生光化反应. 这两种情况都会使测量误差增大. 检测时激光最佳的功率约11mW.

功率; 胃癌; 血清; 激光拉曼光谱

引言

人体组织一旦癌变, 就会在血液中产生多种肿瘤标志物[1], 因此, 血清中的肿瘤标志物所激发的拉曼光谱可以作为相关疾病的辅助诊断依据[2,3]. 但激光可能引起血清样品产生光热效应和光化反应[4], 影响光谱的重复性, 形成误诊. 故有必要对光源功率变化产生的不同光谱进行研究.

1 实验方法

1.1 样品采集

选经病理活检证实为胃癌患者15例, 每例手术前取3ml空腹外周血, 不加任何促凝剂, 静置4小时后离心, 4000 r／min/10min, 取上层血清1.0ml于EP管内, -20℃保存(所有样品由中南大学湘雅医学院冷爱民教授提供, 告知病人其用途并征得其同意).

1.2 检测仪器及方法

用OPT-1A型功率计测量光源在不同电流下工作的功率.

将标品解冻后, 用一次性注射器取出, 注入样品管中, 消除气泡, 并固定在样品架上, 用LRS－III型激光拉曼光谱仪对标品进行检测. 激发光源为波长为532nm的绿激光, 功率可调. 入射、出射狭缝宽度均为0.15mm, 扫描步长为0.1nm, 负高压为8, 积分时间为150ms. 整个实验在暗室中进行.

2 实验结果与讨论

2.1 激光功率的测定

首先对激光器的功率进行定标. 测量激光在不同工作电流下的功率, 同一电流测量3次, 结果见表1.

表1 激光功率与工作电流的关系

计算出各测量点的A类不确定度在[0, 0.033]之间, 可见光源的功率稳定, 完全可以满足检测的需要.

2.2 胃癌患者血清光谱的测定

根据表1中的定标, 对15个样品在不同功率激光照射下的拉曼光谱进行测量. 每个样本分别用17.1mW、11.6mW、6.7mW、4.8mW、3.1mW, 1.8mW的激光照射, 每个功率测量三次. 部分结果如图1所示.

图1 不同激光功率下的胃癌患者血清拉曼光谱

图1 中, 光谱线从上至下分别对应激光功率为17.1mW、11.6mW、6.7mW、4.8mW、3.1mW, 1.8mW拉曼光谱线未在图1中表示出来. 从图1中可以得出, 胃癌患者血清中的某些物质在激光的照射下, 产生了明显的拉曼散射, 1～8号特征峰分别位于1767、3049、3597、3999、4689 cm-1cm-、5874、5934、6291. 其中1、5、6、7、8号特征峰可以从健康人血清的拉曼光谱中看到cm-11 cm-1cm-1cm-11cm-1cm-[5], 表明正常细胞和胃癌细胞在代谢过程中, 产生某些共同的产物, 其分子激发的拉曼光谱特征峰相同; 但在胃癌患者的血清拉曼光谱中,这几处特征峰峰值明显增大, 说明胃癌细胞某些代谢过程异常活跃, 快于正常细胞, 从而形成更多的代谢产物; 6、7号特征峰相距很近, 波数仅相差601cm-, 是最强的8号峰对应的分子振动和次强的1号峰对应的分子振动之间耦合引起的微扰, 造成6号峰分裂成双重线; 2、3、4号峰从正常人血清的拉曼光谱中不能读出, 是某些肿瘤标志物分子发生拉曼散射产生的, 至于是哪些肿瘤标志物, 它们的分子结构如何, 有待做进一步的研究.

选取5个较强的特征峰读取峰值, 在每个特征峰处, 取15个样品峰值的平均值, 得到数据如表2所示.

表2 不同功率下的拉曼峰值

实验中发现在不同功率的激光照射下, 随着测量时间(次数)的增加, 拉曼峰值呈减小的趋势, 这表明样品在激光的照射下, 产生了光热效应和光化反应,随时间增长, 参与光化反应的拉曼活性物质增多, 转化为其它物质失去拉曼活性, 导致拉曼光谱变弱. 但如果一直减小激光的功率, 会使样品中的拉曼活性物质不能被充分激发, 导致拉曼峰值偏差增大. 为找到最佳的激光激发功率, 先假设激光的功率并不足以引起样本的光化反应或光热效应, 那么拉曼峰值与激光的功率成正比关系[6]. 对表2中功率与拉曼峰值平均值做线性相关分析, 得各特征峰峰值平均值与激光功率的线性相关系数见表3.

表3 拉曼峰值平均值与激光功率的线性相关系数

从表3可以看出, 5个拉曼峰的平均峰值与激光功率线性相关系数差别很小, 这表明拉曼峰值与激光的功率成正比关系; 1767cm-1处相关系数较小, 原因是前面的拉曼峰靠近强度很大瑞利散射, 受到较强的散射本底信号影响, 导致线性相关性变差, 随着波数的增加拉曼峰远离瑞利散射峰, 散射本底信号不断减弱, 线性相关性变好.

以1.8mW激光功率所测峰值为起点, 将功率增大时的实测平均值和理论值比较, 计算相对误差见表4.

表4 拉曼峰理论值与实测值比较

从表4可知, 激光功率小于11.6mw的几个测量点, 相对误差较大, 而当激光功率大于11.6mw达到17.1mw时, 相对误差显著增大. 可以认为当激光功率较小时(小于11.6mw), 误差的主要来源是样品中的拉曼活性物质没有被充分激发, 测量值受本底噪声影响较大从而产生较大的误差; 当激光功率较大时(大于11.6mw), 误差的主要来源是样品在大功率激光照射下产生了明显的光热效应和光化反应, 从而使误差显著增加; 而在11.6mw时, 理论值与实测值符合得很好. 所以我们认为, 激光功率约11mW为检测时的最佳功率.

3 结论

(1)胃癌细胞的某些代谢过程异常活跃, 导致胃癌患者血清的几个拉曼光谱特征峰增强, 其特征峰双重线是分子振动之间耦合引起的微扰造成的. 随激光照射时间增长, 胃癌患者血清光谱拉曼峰值减小. 这是因为随时间增长, 参与光化反应的拉曼活性物质增多, 转化为其它物质失去拉曼活性, 导致拉曼光谱变弱.

(2)胃癌患者血清的拉曼峰值与激光的功率成正比关系. 离瑞利散射峰近的拉曼峰, 由于受到较强的散射本底信号影响, 线性相关性变差, 但随着波数的增加拉曼峰远离瑞利散射峰, 散射本底信号不断减弱,线性相关性变好.

(3)激光照射功率约为11mW时最佳, 此时的检测结果偏差最小. 太小则不足以充分激发肿瘤标志物产生拉曼散射, 太大则引起光化反应强烈, 均会导致拉曼峰值偏差增大.

实验表明, 要得到比较理想的血清拉曼光谱, 应该采用合适的激光照射功率, 在较短的时间内完成检测, 否则就会带来较大的偏差. 以上结论对利用激光拉曼光谱进行胃癌的辅助诊断有一定的参考意义.

[1] 陈宜刚, 叶 军. 56例进展期胃癌患者SIMA、CEA、CA50、CA19－9联合检测评价[J]. 中华临床医药, 2002, 3 (4): 32～33

[2] 林三仁. 荧光光谱检测对胃癌的诊断价值[J]. 中华消化杂志, 2003, 23(1): 44

[3] 黄 鹰, 陶家友, 蔺 蓉, 等. 用激光拉曼光谱区分胃癌变细胞与正常细胞[J]. 光谱学与光谱分析, 2007, 27(11): 2262～2265

[4] 郑顺旋. 激光喇曼光谱学[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1985: 72～78

[5] 陶家友, 黄 鹰, 蔺 蓉, 等. 拉曼光谱检测胃癌变信号的研究[J]. 激光生物学报, 2007, 16(2): 238～240

[6] 吴思诚, 王祖铨. 近代物理实验[M]. 北京: 北京大学出版社, 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

湖南省教育厅项目(08C396)

陶家友(1977- ), 男, 湖南邵阳人, 硕士, 湖南理工学院物理与电子学院讲师. 主要研究方向: 光电检测