拉曼光谱即时检验：癌症、感染与其他疾病

医疗行业是拉曼光谱学的新前沿。在过去的几年中，拉曼已被用于牙科和癌症研究。现如今，拉曼正应用到即时检验（POCT）当中去。本文概述了一些前言研究，使用拉曼光谱检测癌组织，疾病的生物标志物，和病原体引起的疾病等。

点击标题快速跳转:

用手持式拉曼光谱仪检测骨感染
用于癌症检测的拉曼光谱法
乳腺癌评估中的传统拉曼光谱法
使用SERS检测和测量胰腺癌生物标志物
快速的COVID-19检测
血液和乳腺癌细胞的拉曼光谱多重免疫表型分析
利用电化学SERS效应检测酶

用手持式拉曼光谱仪检测骨感染

在肌肉骨骼手术中，使用人骨移植物可能导致严重的感染并发症。其中，表皮葡萄球菌和金黄色葡萄球菌是非常常见的病原体，且治疗这些细菌引起的感染非常困难。因此，检测移植材料上的葡萄球菌以及区分健康骨与患病骨对于预防感染至关重要。然而，传统的实验室培养方法需要7-10天才能得出结果，并且在运输和测试过程中存在污染的风险。如果检测结果呈阳性，患者必须接受大剂量的抗生素追溯治疗。

为了应对这一挑战，理想的解决方案是进行现场分析，使手术团队能够当场识别并避免使用病变骨。近期，奥地利的一个研究小组成功地使用手持式MIRA拉曼光谱仪来区分健康和感染的骨骼样本以及两种类型的葡萄球菌。他们的程序分析了磷酸盐、酰胺和胶原蛋白的指纹拉曼带，以及它们不同的强度和峰宽比，从而区分健康和患病的骨骼。主成分分析（PCA）支持光学分析，并用于精细区分葡萄球菌菌株。

奥地利团队对MIRA的优点表示赞赏，包括其轻便、紧凑的结构，电池供电，以及拉曼光谱具有非常少的样品制备和快速的结果。测试只需一个微小的骨样本，可以在手术过程中进行原位检查，并直接在手术室提供快速准确的结果。

用于癌症检测的拉曼光谱法

拉曼光谱技术能够通过其“分子指纹”敏感地检测出与疾病相关的化学变化。这种紧凑型拉曼光谱仪为外科医生提供了在手术过程中评估肿瘤的能力，从而可以更快地做出决策。接下来的章节将讨论乳腺癌和胰腺癌的应用实例，以展示该技术的实际应用。

乳腺癌评估中的传统拉曼光谱法

当存在乳腺癌的疑虑时，通常需要进行两次手术：头一次是进行活检，紧接着步骤是切除恶性肿瘤。如果在初次手术期间能够评估可疑组织，并确定是否需要立即切除，这将非常大地减少患者的负担，并对医疗行业带来显著益处。研究表明，拉曼光谱技术可能具备满足这种即时评估需求的能力。

拉曼光谱技术具有足够的灵敏度来检测由多种癌症引起的组织变化。例如，在健康乳腺组织与恶性肿瘤之间的拉曼光谱存在极其细微的差异。英国的研究人员已经利用高分辨率的i-Raman实验室设备和多变量分析工具，包括主成分分析（PCA）成功地区分了健康组织和癌组织 [2]。

图 1. 瑞士万通的i-RamanPrime 785S便携式拉曼光谱仪

SERS（表面增强拉曼光谱）可用于检测和测量胰腺癌的生物标志物

SERS（表面增强拉曼光谱）可用于检测和测量胰腺癌的生物标志物，特别是在拉曼光谱无法适用的情况下。例如，当目标分子处于复杂的样品基质中或受到碳基分子荧光的干扰时，SERS可以提供解决方案。SERS技术能够增强拉曼信号，而不增强竞争性的荧光信号。此外，SERS效应对于检测浓度低至毫克每升（mg/L），甚至有时微克每升（µg/L）的分析物具有非常高的灵敏度。SERS产生的峰是尖锐且明确的，这使得目标分析物的有效检测和识别成为可能。

要深入了解Sers的更多信息，请阅读我们之前关于此主题的博客文章。

拉曼与SERS有什么区别？

胰腺癌之所以具有高致命性，部分原因在于其诊断难度较大。然而，在大约75%的阳性病例中，某些生物标志物的水平会升高。这些生物标志物可以通过酶联免疫吸附测定法（ELISA）来检测 [3]，该方法能够测量包括抗体、抗原和蛋白质在内的各种生物标志物。

在一项创新技术中，犹他州大学的研究团队使用i-Raman光谱仪结合ELISA进行Sers分析，以检测与胰腺癌相关的抗原 [2]。SERS信号是由与金纳米颗粒和目标分析物复合的报告分子在传统的侧向流或“夹心”免疫测定中产生的。这种技术非常精确，能够极其灵敏地检测目标生物标志物，且具有定量分析的潜力。

图 2. 表面增强拉曼光谱（SERS）检测与胰腺癌相关的抗原是可能的

快速的COVID-19检测

图 3. 瑞士万通MIRA XTR手持式拉曼光谱仪

怀俄明州大学的研究人员采用了一种不同的ELISA形式来检测与COVID-19感染相关的抗原生物标志物 [4]。在这项研究中，他们使用了磁性纳米颗粒支持的测定方法来浓缩溶液中的目标生物标志物，随后利用MIRA XTR进行Sers检测。这种方法被证明比商业侧流检测更为灵敏，兼容溶剂和唾液样本，能够适应新的病毒变体，并且实现了对COVID-19的高灵敏度即时诊断。

侧流免疫测定虽然能提供相对较快的结果，但它们的检测限在纳克级别，并且具有定量限制。相比之下，基于SERS的ELISA能够敏感地检测到毫微克级别的抗原，并使用商用手持拉曼仪器在即时检测环境中快速得出结果。

血液和乳腺癌细胞的拉曼光谱多重免疫表型分析

在另一项研究中，研究人员使用MIRA DS评估了基于SERS的便携式ELISA，用于分析不同类型红细胞和乳腺癌细胞表面的免疫表型[5].。这种技术能够区分健康细胞和病变细胞，并在同一样本中检测多个生物靶标，这对于支持不同类型乳腺癌的精准治疗具有重要意义。

这种检测方法具备特异性、灵敏度和可重复性，相较于传统方法，它使用更小的分析样品体积在不同细胞类型中进行免疫表型分析，并且能够进行多重免疫测定。此外，该方法不那么劳动密集，技术上也更为简单易行。研究人员指出，MIRA的轨道光栅扫描技术通过扩大询问面积和空间平均测量，提高了检测的灵敏度。

相比之下，传统的多路复用流动测定可能会受到不同颜色染色剂可用性和结果解释的限制，并且通常需要较大的实验室空间。而基于手持式拉曼光谱的方法则提供了准确的即时检测结果的潜力，具有快速的样本到结果的时间，多重分析能力，并且仪器本身非常紧凑。

利用电化学SERS效应检测酶

图 4. 瑞士万通SPELEC RAMAN 638光谱电化学分析仪

我们曾介绍了一种独特的Sers技术用于生物分子的表征。电化学Sers（EC-SERS）能够同时进行两个实验：先是银电极（Ag SPE）的Sers特征的电化学活化，随后是对样品进行光谱检测（使用SPELECRAMAN 638）。

在这项技术中， SERS 基底由银电极（包括丝网印刷和传统电极）在原地产生 [6].。这是在分析物存在的情况下，同时通过拉曼连续询问实现的，以优化SERS活性物质的检测。638 nm激发提供了强烈的 SERS 效应，同时减少了样品损伤和荧光的风险。

确定酶的结构及其在疾病中的作用，如醛脱氢酶（ALDH），有助于深入了解疾病机制。利用EC-SERS技术，科学家们确定了溶液中ALDH以前未被报道的指纹拉曼带。同样，细胞色素c的氧化还原状态提供了关于电子跨细胞膜转运的信息。在EC实验过程中，细胞色素c的氧化和构象状态发生变化，这些不同的氧化还原状态可以通过Sers光谱进行区分。

结论

拉曼光谱技术正被创新地应用于多个领域，其显著优势包括高灵敏度、痕量检测能力、设备小型化以及快速的结果输出。环球的研究团队正在利用这些优势来检测癌组织、疾病生物标志物和致病病原体。这些研究成果不仅令人兴奋，也充满了希望！

[1] Lindtner, R. A.; Wurm, A.; Pirchner, E.; et al. Enhancing Bone Infection Diagnosis with Raman Handheld Spectroscopy: Pathogen Discrimination and Diagnostic Potential. IJMS 2023, 25 (1), 541. DOI:10.3390/ijms25010541

[2] Thomas, R.; Bakeev, K.; Claybourn, M.; Chimenti, R. The Use of Raman Spectroscopy in Cancer Diagnostics. Spectroscopy 2013, 28 (9), 36–43.

[3] Goonetilleke, K. S.; Siriwardena, A. K. Systematic Review of Carbohydrate Antigen (CA 19-9) as a Biochemical Marker in the Diagnosis of Pancreatic Cancer. Eur J Surg Oncol 2007, 33 (3), 266–270. DOI:10.1016/j.ejso.2006.10.004

[4] Antoine, D.; Mohammadi, M.; Vitt, M.; et al. Rapid, Point-of-Care ScFv-SERS Assay for Femtogram Level Detection of SARS-CoV-2. ACS Sens. 2022, 7 (3), 866–873. DOI:10.1021/acssensors.1c02664

[5] Wang, J.; Koo, K. M.; Trau, M. Tetraplex Immunophenotyping of Cell Surface Proteomes via Synthesized Plasmonic Nanotags and Portable Raman Spectroscopy. Anal. Chem. 2022, 94 (43), 14906–14916. DOI:10.1021/acs.analchem.2c02262

[6] Metrohm AG. Easy Detection of Enzymes with the Electrochemical-SERS Effect; AN-RA-008; Metrohm AG: Herisau, Switzerland, 2023.

[7] Brazhe, N. A.; Evlyukhin, A. B.; Goodilin, E. A.; et al. Probing Cytochrome c in Living Mitochondria with Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. Sci Rep 2015, 5 (1), 13793. DOI:10.1038/srep13793

表面增强拉曼散射（SERS）——扩展传统拉曼分析的非常大的限度

表面增强拉曼散射，简称SERS，是一种当分子被吸附到金或银纳米颗粒上时拉曼散射异常增强的现象——这种增强可能高达1e+7。SERS对分析化学家的优势在于其能够检测到mg/L（ppm）甚至µg/L（ppb）的分析物浓度，而传统的拉曼光谱分析仅限于g/L（ppt）。瑞士万通拉曼公司生产的P-SERS检测试剂以纳米颗粒的形式，通过喷墨技术打印在基底上。这种方法生产出的测试条成本低廉，展现出不凡的稳定性和灵敏度。P-SERS可以轻松应用于两个市场：法医分析和食品安全。本白皮书解释了SERS的机制以及如何将其应用于瑞士万通拉曼MIRA系统的手持拉曼分析。

作者

Dr. Melissa Gelwicks

Marketing Specialist
Metrohm Raman (a division of Metrohm Spectro), Laramie, Wyoming (USA)

隐私权声明

用手持式拉曼光谱仪检测骨感染