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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 德国慕尼黑（2019年6月23日-27日）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC） - 人类是否存在红外分子指纹？来自人体血液光谱分析的启示
摘要： 遗传、生活方式、环境因素以及生长发育和衰老过程会影响人体血液的分子组成。尽管许多疾病会在血液中留下痕迹，但关键问题在于这些痕迹能否被稳健且可重复地测量，并用于特定成年群体的健康监测。通过非侵入式、省时且经济高效的方法可获得血清的红外分子光谱，这种技术能从高度复杂的样本中提取所有分子种类的分子信息。我们证实宽带红外光谱可用于人体血液的可重复分子指纹分析。要评估某种介质是否足够稳定以实现疾病早期检测，必须量化分析个体差异和参考人群的变异程度——若个体内变异超过参考人群的个体间变异，该方法就不适用于疾病检测。为评估红外分子指纹的独特性及其生物变异性，我们开展了前瞻性纵向综合研究，收集27名健康受试者连续8次献血的血液样本。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行宽带红外分子指纹分析，同步研究血液中所有分子类别的个体间与个体内变异。实验数据证实：基于红外分子指纹（类似代谢指纹[1]）从群体中识别特定个体的方法是可行的。首先通过标准描述性分析发现，个体间变异幅度是个体内变异的3倍（图1左），这为疾病检测提供了可能。其次结合主成分分析（PCA）等降维方法和多种高精度机器学习算法[1]（随机森林、极限梯度提升、K近邻算法），建立分类规则并对未知测试集数据进行预测。针对6周内7次献血样本，分类准确率峰值超过95%（图1右），而随机预测的准确率仅3.7%。此外，我们评估了光谱特征对分离信号的重要性，从而识别与个体间变异相关的人血清成分。红外分子指纹表现出的稳健性表明其适用于健康与治疗监测。
关键词： 红外分子指纹、傅里叶变换红外光谱、健康监测、人体血液、光谱分析
更新于2025-09-12 10:27:22
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 通过人体血液的场分辨红外光谱技术实现肺癌、前列腺癌和乳腺癌检测
摘要： 生物流体的宽带中红外光谱技术在生物和生物医学领域具有巨大应用潜力，因其能快速、可靠且无标记地获取样本的分子组成信息。当应用于人血清时，可量化多种分子含量，并识别由疾?。ㄈ绨┲ⅲ┣奈展馄滋匾煨员浠?，用于诊断目的。现存挑战在于人血清成分复杂：生理表型由数千种不同分子浓度的微小变化所驱动。同时，尽管许多低丰度分子对疾病检测极具信息价值，但由于灵敏度和特异性不足，这些分子常无法通过传统傅里叶变换红外光谱（FTIR）和量子级联激光（QCL）技术检测。本研究展示了如何利用少周期激发分子振动的场分辨光谱（FRS）来克服这些局限，并验证其在临床环境下测量人血清的适用性。预实验中，我们通过向血清添加特定浓度二甲砜（DMSO2）定量研究了FRS检测样本响应微小变化的能力，证明FRS能检测人血清中低至亚微克/毫升级别的分子浓度变化，灵敏度超越FTIR和QCL技术。因此FRS当前可检测的最小变化比血液中最丰富分子浓度低五个数量级，意味着其可检测浓度动态范围达10^5倍。基于此，我们首次在真实临床场景（包含195例对照个体与58例肺癌、41例前列腺癌、42例乳腺癌患者的匹配队列研究）中应用FRS，并将结果与相同样本的先进FTIR测量进行对比。通过记录血清激发分子产生的时域采样场振荡获取红外分子指纹（图1a）。研究发现不同时间窗分析（图1c-d）显示对照组与肺癌患者样本具有独特的时间响应特征。采用随机森林分类器对时域数据进行初步分析即获得高癌症检测准确率。尽管当前发展阶段的FRS光谱覆盖范围远小于FTIR，其癌症检测效率却达到相近水平。这表明下一代具有数个倍频程光谱覆盖的FRS技术有望显著超越FTIR指纹分析性能。
关键词： 癌症检测、分子振动、场分辨光谱、红外光谱、人体血液
更新于2025-09-11 14:15:04