基于拉曼光谱技术的无损牙釉质性别鉴定方法研究及其在法医与考古学中的应用

本研究针对传统骨骼性别鉴定方法在样本破碎或未成年个体中可靠性不足的问题，创新性地采用拉曼光谱技术结合OPLS-DA（正交偏最小二乘判别分析）和逻辑回归模型，对88颗人类牙齿釉质进行无损检测。研究发现373 cm-1、1182 cm-1和1600 cm-1等拉曼位移可作为性别特异性标志物，模型ROC-AUC达0.98，灵敏度0.87，特异性0.94。该方法为考古学、法医学中珍贵样本的性别鉴定提供了非破坏性解决方案，并揭示了AMELX/AMELY蛋白异构体的分子差异。

　　

论文解读

在考古学、人类学和法医学领域，生物性别鉴定是重建人口动态、社会结构和个体身份的核心环节。传统方法依赖骨盆或颅骨的形态学特征，但当样本破碎、属于未成年人或保存状态不佳时，其准确性大幅降低。虽然DNA分析技术（如AMELX/AMELY基因检测）已成为金标准，但面临样本破坏、古DNA降解和实验条件苛刻等挑战。牙釉质作为人体最坚硬的组织，其AMELX（X染色体编码）和AMELY（Y染色体编码）蛋白异构体的差异为性别鉴定提供了分子基础，但现有蛋白组学方法仍需破坏样本。这一矛盾促使研究者探索兼顾高精度与样本完整性的新方法。

苏黎世大学进化医学研究所的Raphael Hug、Patrick E. Eppenberger团队在《Scientific Reports》发表研究，提出基于拉曼光谱的无损牙釉质性别鉴定技术。研究团队使用便携式785 nm拉曼光谱仪采集88颗现代人类牙齿（47例个体）的釉质光谱，通过正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）和逻辑回归建模，最终建立仅需三个特征波数的性别预测模型。

关键技术方法
研究采用瑞士圣加仑州1986-1992年匿名正畸拔除的牙齿样本，使用i-Raman Plus光谱仪（65-3351 cm^-1范围）采集数据，经LOESS基线校正和580 cm^-1（v₄ PO₄^3-振动峰）强度归一化预处理后，构建包含1个预测成分和6个正交成分的OPLS-DA模型，最终通过逻辑回归筛选关键特征波数。

研究结果

光谱学与数据预处理
分析66颗恒牙和22颗乳牙的240条高质量光谱，发现男女釉质在200-1700 cm^-1区间存在显著差异峰，主要对应无机磷酸盐和有机蛋白成分。

正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)
模型R²Y(cum)=0.943、Q²Y(cum)=0.895，预测成分t[1]P实现性别清晰分离（p=0.01），证实光谱差异具有统计学意义。

光谱特征筛选
通过计算|预测载荷|-|正交载荷|指数，锁定373 cm^-1（PO₄对称弯曲）、1182 cm^-1（C-H弯曲）和1600 cm^-1（酰胺I/II振动）为关键性别标志物，可能与AMELX/AMELY的脯氨酸含量差异导致的蛋白折叠差异相关。

逻辑回归模型
三波数模型ROC-AUC达0.98，其方程logit(p)=-3.738+18.293·peak₃₇₃-76.071·peak₁₁₈₂+37.214·peak₁₆₀₀，为现场鉴定提供简易工具。

讨论与意义
该研究首次证实完整牙釉质的拉曼光谱性别鉴定可行性，其优势在于：① 非破坏性，适用于珍贵考古样本；② 检测釉质内稳定残留的AMELX/AMELY肽段，避免DNA降解问题；③ 785 nm激光穿透表层变质釉质，获取原生信号。局限性在于现代青少年样本的普适性验证不足，未来需扩展至古标本和多样化人群。

这项技术将革新法医和考古实践——在犯罪现场快速筛查遗骸性别，或对博物馆珍贵标本进行无损分析。其分子机制阐释（如373 cm^-1峰反映AMELY特有的矿物-蛋白相互作用）也为生物矿物化研究提供新视角。随着便携光谱设备普及，该方法或将成为继PCR和质谱后，生物考古学的第三大性别鉴定范式。