双基底表面增强拉曼散射（Dual-Substrate SERS）策略结合三维银纳米粒子（3D AgNPs）基底，用于肝癌的微创筛查与分期

《Analytica Chimica Acta》：Dual-Substrate SERS Strategy Combined with 3D AgNPs Substrate for Minimally Invasive Screening and Staging of Liver Cancer

　　

康莉|王富强|徐琳|吴俊铮|龚贤雄|乔伟|林婷辉|张宏毅|林聚强

中国福建省厦门市厦门理工学院光电与通信工程学院

摘要

背景

肝癌（LC）是全球最常见的致命恶性肿瘤之一，早期诊断和准确的分期对于改善患者预后至关重要。尽管表面增强拉曼光谱（SERS）在微创肿瘤检测方面显示出巨大潜力，但其更广泛的临床应用仍受到基底稳定性不足、光谱覆盖范围不完整以及在复杂分类和分期任务中辨别能力不足的限制。

结果

在这项研究中，我们通过结合呼吸图法和马兰戈尼效应驱动的液-液界面自组装策略，开发了一种银纳米粒子复合的三维多孔SERS基底（Ag@BTM），实现了银纳米粒子在多孔支架内的均匀分布，从而提高了SERS的灵敏度、均匀性和重复性。为了进一步扩展生化信息，我们提出了一种双基底SERS检测策略，使用两种具有互补局域表面等离子体共振特性的Ag@BTM基底，即S-Ag@BTM和L-Ag@BTM，并将它们的光谱融合成双基底SERS超级指纹图谱。结合AutoGluon自动化机器学习框架和SHAP分析，该策略在区分正常样本、HBV感染样本和肝癌样本方面的准确率达到98.6%，在肝癌分期方面的准确率达到80.4%，分别比相应的单基底模型提高了12.6个百分点和14.7个百分点。

意义

这种双基底融合框架为微创肝癌筛查和精确分期提供了一种灵敏、低成本且可扩展的方法，突显了基底互补SERS分析在复杂临床分类任务中的潜力。

引言

肝癌（LC）是全球最常见的致命恶性肿瘤之一，早期诊断和准确的分期对于改善患者预后至关重要[1]、[2]、[3]、[4]。在临床实践中，肝癌的鉴别诊断和分期仍然具有挑战性，尤其是在患有慢性肝病（如乙型肝炎病毒（HBV）感染）或病变较小的患者中[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。当前的临床方法在早期检测的灵敏度和特异性方面仍存在显著局限性。因此，开发高度灵敏且微创的诊断技术具有重要意义。

表面增强拉曼光谱（SERS）技术凭借其出色的分子指纹识别能力和超高灵敏度，在医学诊断[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、环境监测[15]、[16]、[17]等领域得到了广泛应用。SERS性能的提高与基底结构密切相关，特别是“热点”分布的密度和均匀性[19]、[20]、[21]。近年来，三维结构因其能够增强光与物质的相互作用并实现高密度、体积化的“热点”分布而成为研究热点[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。周等人开发的金锥阵列（CAIB）结构在测试拉曼报告分子孔雀石绿异硫氰酸盐（MGITC）时表现出优异的信号重复性，相对标准偏差（RSD）低至4.6%。方等人提出的腔内腔（CIC）结构显示出强烈的信号增强效果，其SERS性能比在平面硅基底上的AuNCs提高了33.1倍。这些结果共同证明了三维结构基底在提升SERS性能方面的潜力。

虽然单一的三维SERS结构可以在一定程度上提高信号均匀性，但其光谱响应范围和增强效果仍受材料结构和局域表面等离子体共振（LSPR）特性的限制。最近的研究表明，整合来自不同SERS基底或激发条件的互补光谱信息可以有效克服单一系统的响应波动和光谱覆盖范围限制，从而构建出更具辨别力的“SERS超级指纹图谱”，显著提升检测性能和分类模型的稳健性[29]、[30]、[31]。

在这项研究中，我们提出了一种新型的AgNPs复合三维SERS基底（Ag@BTM）。我们使用一种简单且环保的呼吸图法制备了这种基底，该方法通过控制溶剂蒸发和环境湿度在室温和常压下诱导自组装，使三醋酸纤维素（TCA）形成有序的三维多孔结构。进一步通过结合马兰戈尼效应驱动的液-液界面自组装策略，实现了银纳米粒子在三维框架上的均匀锚定，有效克服了传统方法中遇到的粒子聚集和不均匀分布问题。这显著提高了SERS信号的均匀性和重复性。在此基础上，我们提出了一种双基底SERS检测策略：通过控制银纳米粒子的大小，制备了两种具有不同LSPR特性的Ag@BTM基底，从而在特定光谱区域提供了不同的电磁场增强效果。该设计充分利用了双基底的光谱互补优势，提高了检测灵敏度和光谱覆盖范围。为了有效分析生成的各种复杂光谱数据，我们引入了AutoGluon自动化集成学习框架，采用并行多模型和堆叠策略进行特征融合，并结合最小绝对收缩选择算子（Lasso）回归、递归特征消除（RFE）和Shapley加性解释（SHAP）方法进行可解释的特征选择，为构建“双基底SERS超级指纹图谱”提供了计算基础。

结果表明，双基底策略在正常对照组、HBV感染组和肝癌组的分类准确率分别为98.6%和80.4%，在CNLC I-III期（T1-T3）的分期准确率为80.4%。与单基底方法相比，双基底策略在这两项任务的准确率分别提高了12.6个百分点和14.7个百分点。这项研究证明了“三维基底和双基底互补增强”策略的有效性，提供了一种简单、低成本且高度灵敏的微创肝癌筛查和精确分期技术解决方案。

章节片段

人类样本的制备

本研究包括两个独立的队列。内部队列来自厦门中医院，包括140对空腹晨间静脉血样本（用于血清分离）和中段尿样本，其中包括30名正常对照组、30名慢性乙型肝炎病毒（HBV）感染患者、25名CNLC I期（T1）肝癌患者、25名CNLC II期（T2）肝癌患者和30名CNLC III期（T3）肝癌患者。

Ag@BTM的表征和SERS性能

为了验证基底结构和修饰后的界面变化，我们对BTM和Ag@BTM进行了扫描电子显微镜（SEM）表征。如图1A所示，在25°C下，BTM表面形成了平均孔径约为4 μm的规则蜂窝状孔阵列（图S3A），显示出良好的排列和清晰的边缘。这种形态主要归因于“凝结-蒸发”机制（图S4）——其中二氯甲烷的蒸发

结论

本研究提出了一种基于新型Ag@BTM基底的双基底SERS检测策略。利用呼吸图法，我们实现了环保且低成本的有序三维多孔结构的制备。结合马兰戈尼效应驱动的液-液界面自组装技术，该方法实现了银纳米粒子在多孔框架内的均匀分布，成功构建了一个具有高密度和高度均匀性的SERS活性界面

CRediT作者贡献声明

康莉：概念构思、撰写——初稿。王富强：验证。龚贤雄：验证。乔伟：撰写——审阅与编辑。徐琳：概念构思、撰写——初稿。吴俊铮：验证。林婷辉：撰写——审阅与编辑。张宏毅：数据管理。林聚强：监督、资金获取

利益冲突

作者声明没有竞争性财务利益。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国福建省自然科学基金（编号2023J011456）、厦门市自然科学基金（3502Z202373057）、福建省科技计划国际合作项目（编号2024I0045）、厦门市自然科学基金（3502Z202471074）以及福建省中青年教师教育科研项目（JZ240063）的支持。