本文介绍了福建师范大学谢树森教授课题组使用血清表面增强拉曼光谱（SERS）结合多元分析方法诊断肝癌的研究结果，论文发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊2022年第5期。

Multivariate analysis of serum surface-enhanced Raman spectroscopy of liver cancer patients

肝癌患者血清表面增强拉曼光谱的多元分析

Qiwen Wang, Sen Wang, Shengdong Cui, Deyuan Yang, Zheng Huang, and Shusen Xie

研究背景

癌症已成为世界范围内主要的健康威胁之一。在所有癌症中，肝癌是三大主要死因。肿瘤标志物的筛选在早期诊断癌症中起着重要的作用，研究显示癌症患者的血清表面增强拉曼光谱（SERS）可能对筛选肿瘤标志物有一定价值，但是在特异性和灵敏度方面存在许多局限性。因此，探索一种特异和灵敏的无创检测方法对未来肝癌患者的筛选早诊非常重要。

内容简介

本文首先制备了纳米金粒子，使用RenishawinVia光谱仪,获得肝癌组和与健康组血清，以及肝癌组术后血清的SERS光谱，对肝癌组的特征性拉曼峰及其对应的标志物做了初步分析；并利用PCA和PLS方法对SERS光谱数据进行降维处理，尝试使用PCA-LDA、PLS-DA、PLS-KNN、PLS-ANN和PLS-SVM等多元统计分析方法对肝癌组术前和术后SERS峰的差异进行了分类分析。结果显示PCA-LDA，PLS-DA，PLS-KNN，PLS-ANN和PLS-SVM的诊断准确性分别为76％，90％，92％，94％ 分别为96％和96％。本文提示血清SERS联合多元统计分析在肝癌筛查中有一定潜力。

图文导读

1.健康志愿者与肝癌患者血清SERS光谱比较

图1：健康志愿者、肝癌患者和肝癌术后患者的平均SERS光谱

图1展示了健康志愿者、肝癌患者和肝癌术后患者的血清SERS光谱。峰值差异主要体现在496、593、637、726、813、888、1137、1580 cm-1处。

图2：肝癌患者与肝癌术后患者血清SERS光谱差异

图2显示相比健康志愿者血清SERS光谱，肝癌患者与肝癌术后患者血清SERS光谱之间的差异更小，更加难以直接加以区分。两类光谱之间的差异主要集中在484、507、1146和1295 cm-1峰位处。其中，507、1146和1295 cm-1峰位处，肝癌患者的血清SERS光谱强度显著高于肝癌术后患者；484 cm-1峰位处肝癌术后患者的血清SERS光谱显著高于肝癌患者。484、507、1146和1295 cm-1峰位可以归属于糖原、甲氧基的C-OH3扭转、CH2扭曲。

2.选取最优PLS成份数

图3：潜在变量数量与估计均方预测误差（MSPE）之间的关系

图3展示了为了提高判别准确率，进一步采用基于PLS降维的机器学习方法对两类光谱进行判别，并且选取最优PLS成份数。结果表明，3个PLS成分可以很好地满足分类的需要，同时有效避免过度拟合。

3.SVM分类效果

图4：SVM性能与参数C和γ之间关系

图4展示了将3个PLS成分作为SVM分类器的输入，并采用网格搜索法结合10倍交叉验证法优化SVM的两个参数C和γ，两个参数与SVM分类效果之间关系，从而得到C和γ两个最佳参数。

4.SVM分类效果

图5：SVM模型对两类光谱的分类结果和（B）表示两个不同的观察视角

图5展示PLS-SVM分类的三维效果图。图中粉色点代表肝癌患者的血清样品，绿色点代表肝癌术后患者的血清样品。灰色的超平面被使用RBF内核的VSM分类器创造，用于两类SERS光谱的分类。在图5所示的光谱特征空间里，肝癌患者（粉色）和肝癌术后患者（绿色）被超平面很好地分在两块不同的区域。

第一作者简介

王启文,福建师范大学光电学院教师，从事生物医学光子技术及应用研究，致力于表面增强拉曼光谱技术在疾病无损检测领域的研究。在各类期刊发表多篇论文，参与多项省部级项目及国家自然科学基金项目。