用于增强FT-拉曼信号的石英玻璃纤维片基材

《Vibrational Spectroscopy》：A quartz glass fiber sheet substrate for enhancing FT‐Raman signal

　　

Hiroaki Ito|Naoyuki Uragami|Tomokazu Miyazaki|William Yang|Kenji Issha|Toshimitsu Yamaoka|Yuri Ito|Satoshi Kimura|Machiko Kawamura|Tetsuo Noguchi|Takashi Fukagai|Junji Tsurutani

日本东京142-8555，昭和医科大学高级癌症转化研究机构

摘要

目前人们正在积极研究基于拉曼光谱的癌症诊断方法，而由于血清和尿液等生物液体中仅含有微量核酸、蛋白质、氨基酸等其他分析物，同时还存在强自荧光背景成分，因此亟需简单的方法来增强这些样本中拉曼散射光的强度。我们评估了两种测量方法：一种是针头法，即用激光照射置于细直径不锈钢针尖端的液滴样本；另一种是石英玻璃纤维片法，即将液滴样本涂在石英玻璃纤维片上使其干燥，然后再对纤维片表面进行照射。我们记录了苯甲酸钠、硫酸钠、人类血清以及人类尿液的拉曼光谱。对于模型化合物，通过石英玻璃纤维片法获得的谱图能够重现固态时的拉曼位移，而通过针头法测得的水溶液谱图则显示出明显的峰位移动，且散射光强度会随着纤维片上液滴数量的增加而呈单调上升趋势。基于这些发现，我们认为样本在石英玻璃纤维片内发生结晶并浓缩，从而使得即使是从低浓度溶液中也能获得高散射光强度的谱图。对于人类血清和尿液而言，与针头法相比，石英玻璃纤维片法可使特征谱带的强度提高约七倍，同时还能保持原有的光谱特征。我们的研究结果表明，石英玻璃纤维片是一种实用的低背景基底，可用于获取低浓度生物液体样本的傅里叶变换拉曼光谱。

引言

我们团队之前的研究通过拉曼光谱分析了血清和尿液等生物液体，旨在为多种疾病建立新的诊断技术[1]、[2]。拉曼光谱是一种非破坏性分析方法，可通过分析散射光中的拉曼光谱来推断样本的成分和结构[3]，这一技术源于1928年首次报道的现象[4]。它被广泛用于成分分析，且无需参考标准即可全面分析未知物质[5]。检测液体样本中微量物质的方法包括抗原-抗体反应[6]、聚合酶链反应[7]以及液相色谱法[8]，但拉曼光谱的优势在于分析速度更快。在记录液体样本的拉曼光谱时，通常会将样本放入玻璃罐[9]或类似玻璃的小容器[10]中，再用激光进行照射。如果样本中各成分的浓度较低，可能无法记录到拉曼光谱。

此外，为了提升检测能力，人们还开发了多种改进型的拉曼光谱技术，如表面增强拉曼光谱[11]、共振拉曼光谱[12]以及尖端增强拉曼散射技术[13]。作为记录液体样本拉曼光谱的一种方法，也可以将样本封装在石英毛细管中进行分析，但这种方法需要至少一定量的样本，而对于低浓度样本来说，往往难以获得拉曼光谱。当样本中各成分浓度较低时，还可以将样本滴在玻璃或金属表面使其干燥，再使用激光照射[15]，但由于干燥后的样本通常较薄，可能难以准确调整激光焦点，因此也难以获得信噪比较高的拉曼光谱。

在我们研究的生物样本中，由于血清和尿液中各成分浓度较低，其拉曼光谱的信噪比也很低。为获得高散射光强度的拉曼光谱，可以增大激发激光的输出功率或延长照射时间。由于拉曼散射光的强度与激发光波长的平方成反比，因此使用波长更短的激发光可以获得更高强度的散射光。不过，短波长激发光容易受到自荧光的影响[1]，因此我们选用近红外激光作为激发光源来分析生物液体样本，因为这类激光受自荧光干扰较小。在本研究中，我们探索了一种能够在减轻自荧光影响的同时，从血清和尿液等低浓度体液样本中获得高散射光强度拉曼光谱的方法。尽管拉曼光谱已在生物医学和诊断领域得到广泛应用，但由于信号弱、存在自荧光问题，再加上仪器设备和操作流程方面的限制，其在临床上的常规应用仍然十分有限且面临诸多技术难题。因此，本研究更应被视为一项旨在提升微升级生物流体样本信号强度的概念验证性研究，而非已经经过验证的诊断方法。

内容节选

材料与方法

作为开发测量方法的测试样本，我们使用了苯甲酸钠（C₇H₅NaO₂，分子量144.1，日本东京富士胶片和光纯药株式会社生产的和光特级产品）和硫酸钠（Na₂SO₄，分子量142.04，同为公司生产的和光特级产品）。为了制备水溶液，我们将这两种物质分别溶解在纯水中（美国马萨诸塞州赛默飞世尔科技公司生产的Ambion?无核酶水），配制成浓度为1?摩尔/立方分米的溶液

模型化合物

我们记录了固态苯甲酸钠和硫酸钠的拉曼光谱，这些光谱具有清晰的峰形（见图3A-D）。当用针头法以液滴形式测定这些化合物浓度为1?摩尔/立方分米的水溶液时，部分谱带相对于固态发生了变化：对于苯甲酸钠，原本位于1436?厘米?1处的峰消失了，而在1390?厘米?1处出现了一个新峰；对于硫酸钠，原本位于994?厘米?1处的峰则被位于980?厘米?1处的峰所取代[17]、[18]、[19]。而通过石英玻璃纤维片法获得的谱图则

讨论

本研究探讨了将石英玻璃纤维片作为简单基底，用于增强血清和尿液等液体生物样本的傅里叶变换拉曼光谱的效果。与从液滴中记录光谱的针头法相比，石英玻璃纤维片法能够对分析物进行机械预浓缩，从而得到散射光强度显著更高的拉曼光谱。重要的是，这种石英玻璃纤维片本身的内在拉曼背景非常低，几乎不会对光谱产生干扰

结论

我们研究了一种从血清和尿液等生物流体样本中获得高信噪比拉曼光谱的方法。与记录液体样本拉曼光谱的针头法相比，石英玻璃纤维片法能够浓缩样本中的各种成分，从而提高所得拉曼光谱的散射光强度，进而提升对样本中各成分的检测灵敏度。这说明石英玻璃纤维片法是一种有效的获取拉曼光谱的方法

伦理审批与知情同意

本研究方案已得到昭和医科大学江东丰洲医院伦理委员会的审核批准（批准编号：18T5005）。所有参与研究的人员都签署了书面同意书。该研究方案还已在大学医院医疗信息网络临床试验注册系统中进行登记（UMIN-CTR，编号为UMIN000034306）。为本研究提供血清和尿液的受试者也都签署了书面同意书。

资金支持

本研究部分资金来自日本文部科学省的科研资助项目（资助编号：JP17K09022）。此外，该研究还得到了日本文部科学省另一项科研资助项目（资助编号：JP20K07643）的支持。

作者贡献说明

Takashi Fukagai：撰写——审阅与编辑、资源准备、实验实施。Junji Tsurutani：撰写——审阅与编辑、资源准备。Machiko Kawamura：撰写——审阅与编辑、方法设计、实验实施。Tetsuo Noguchi：撰写——审阅与编辑、资源准备。Tomokazu Miyazaki：撰写——审阅与编辑、概念设计。William Yang：撰写——审阅与编辑、软件使用、资源准备。Hiroaki Ito：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、监督工作、资源协调、项目管理

关于写作过程中生成式人工智能及AI辅助技术的声明

在准备本论文的过程中，作者们使用了Perplexity工具来优化英文表达，以便更准确地呈现研究结果。在使用该工具或服务之后，作者们还对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表文章的内容负全部责任。

利益冲突声明

作者们声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了日本文部科学省科研资助项目编号JP17K09022以及JP20K07643的支持。

利益冲突

本研究中使用的拉曼显微镜的制造费用由JSR公司提供。所有作者均不存在需要声明的利益冲突。