吳寶平，曲 典，王 燕，陶 薔，劉文艷，滿梓焱

（首都醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069）

為了充分發(fā)揮科研儀器的功能和使用率，提高教學(xué)質(zhì)量和科研水平，很多學(xué)校都在探討將科研儀器設(shè)備與本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方法［1－3］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的檢測技術(shù)逐步應(yīng)用于臨床診斷和治療，醫(yī)學(xué)院校的學(xué)生需要掌握這些技術(shù)和手段。因此將一些科研成果轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，而且能提高高?？蒲袃x器的利用率，無疑是一個(gè)非常值得探索和研究的課題。本文以表面增強(qiáng)拉曼光譜（surface－enhanced Raman spectroscopy，SERS）檢測技術(shù)為例，設(shè)計(jì)了一些適合本科生的創(chuàng)新性研究實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段就能開展帶有課題研究性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，提高科研工作能力和科學(xué)素養(yǎng)。

1 表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測技術(shù)在癌癥早期診斷中的應(yīng)用

拉曼散射是一種分子受光子激發(fā)的非彈性散射現(xiàn)象，拉曼光譜表征了化學(xué)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)特性，成為識別鑒定未知化學(xué)物的有效方法。隨著光學(xué)、電子學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，拉曼光譜技術(shù)的潛力得以充分展示。近年來，納米技術(shù)的進(jìn)步及應(yīng)用給拉曼光譜提供了更多的應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)表明，拉曼光譜檢測靈敏度隨基底表面納米顆粒尺度減小而增強(qiáng)，尤其在基底表面納米顆粒尺度小于100nm情況下，檢測靈敏度的增強(qiáng)效應(yīng)尤為顯著［4］。

本實(shí)驗(yàn)室是醫(yī)學(xué)院校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的科研實(shí)驗(yàn)室，所采用的拉曼光譜檢測系統(tǒng)為RamTracer－200便攜式表面增強(qiáng)拉曼檢測系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)代納米技術(shù)對基底進(jìn)行表面處理，大大提高了檢測靈敏度和精度，檢測限提高了4～10個(gè)數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)了對痕量被檢物的測量［5］。近5年來，實(shí)驗(yàn)室采用此拉曼光譜檢測系統(tǒng)，并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，在利用唾液進(jìn)行癌癥早期的檢測技術(shù)取得了大量的研究成果，并有望應(yīng)用于臨床的早期診斷［6－8］。圖2為正常人和肺癌患者唾液的SERS平均光譜圖，圖中可以發(fā)現(xiàn)拉曼光譜數(shù)據(jù)量大，兩組峰重合度很高，不易于直接分辨，分別采用支持向量機(jī)算法和隨機(jī)森林算法進(jìn)行分類研究，得到了較好的分類效果［9］。

圖1 RamTracer－200便攜式表面增強(qiáng)拉曼檢測系統(tǒng)

圖2 肺癌患者與健康人唾液的平均拉曼光譜圖

2 本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)

上述研究成果表明，拉曼光譜檢測技術(shù)在癌癥早期診斷中將有很好的應(yīng)用，但除了需掌握拉曼光譜儀的實(shí)驗(yàn)方法外，還需要進(jìn)一步對統(tǒng)計(jì)學(xué)以及信號處理方面的深入研究工作，這對于剛剛進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)的本科生，尤其是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生有一定的難度。

本實(shí)驗(yàn)室的拉曼光譜檢測系統(tǒng)屬于便攜式檢測系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單清晰，便于學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)裝置的組成和工作原理，同時(shí)配合納米芯片可完成固體、液體材質(zhì)的樣品檢測。本文根據(jù)拉曼光譜檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一組適合于低年級學(xué)生的入門實(shí)驗(yàn)。用于本科生第二課堂和七年制科研訓(xùn)練小組的學(xué)習(xí)和研究。

2.1 拉曼光譜認(rèn)識實(shí)驗(yàn)

認(rèn)識實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生學(xué)習(xí)拉曼光譜光譜儀的使用，同時(shí)掌握拉曼光譜儀的檢測原理。

2.1.1 認(rèn)識實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

由于不是傳統(tǒng)型教學(xué)實(shí)驗(yàn)，我們把認(rèn)識實(shí)驗(yàn)分成了兩部分：見習(xí)觀摩和認(rèn)識實(shí)驗(yàn)。見習(xí)觀摩主要是在研究生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓參與項(xiàng)目的本科生觀摩實(shí)驗(yàn)過程，包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程。這一階段要求見習(xí)的本科生了解拉曼光譜檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和檢測步驟。

觀摩實(shí)驗(yàn)后，要求學(xué)生查閱文獻(xiàn)，進(jìn)一步了解拉曼光譜檢測技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，指導(dǎo)學(xué)生選擇認(rèn)識實(shí)驗(yàn)的樣品。

2.1.2 認(rèn)識實(shí)驗(yàn)樣品的選擇

認(rèn)識實(shí)驗(yàn)的樣品應(yīng)具有易于引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)結(jié)果易于分析處理的特點(diǎn)。學(xué)生在查閱文獻(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)拉曼光譜不僅在醫(yī)學(xué)研究中有越來越廣泛的應(yīng)用，在食品安全、寶石鑒定中都有很好的應(yīng)用。結(jié)合學(xué)生的興趣和實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理的難易程度，最后確定認(rèn)識實(shí)驗(yàn)的樣品為相對價(jià)值較低的市售水晶制品。

2.1.3 認(rèn)識實(shí)驗(yàn)的過程控制

認(rèn)識實(shí)驗(yàn)以掌握實(shí)驗(yàn)儀器使用方法為主，因此實(shí)驗(yàn)過程的控制尤為重要。拉曼光譜的實(shí)驗(yàn)首先要進(jìn)行乙腈校正，然后還要進(jìn)行顯微聚焦和功率的選擇。為了說明上述問題，在實(shí)驗(yàn)過程中，指導(dǎo)學(xué)生在同一樣品上，選取不同的位置和不同的功率觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析功率變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.2 拉曼光譜的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)側(cè)重于基于檢測系統(tǒng)自帶軟件的數(shù)據(jù)后處理過程。

2.2.1 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)樣品的選擇

由于在后期的實(shí)驗(yàn)中會涉及到血清、唾液等生物樣品的檢測，同時(shí)前期學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研后對食品安全方面的研究比較感興趣，因此應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的樣品選用了不同材質(zhì)的食用油，比如市售菜籽油和橄欖油。

2.2.2 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用RamTracer－200便攜式表面增強(qiáng)拉曼檢測系統(tǒng)自帶的處理軟件，主要包括基線處理和歸一化處理兩部分。在軟件講解中，對基線處理和歸一化在研究工作中的作用也作相應(yīng)的介紹，使學(xué)生對于科研工作方法有更深入的了解。在這部分實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生掌握基線處理和歸一化處理的方法，并對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。由于使用實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容，在要求學(xué)生分析結(jié)果時(shí)也要指導(dǎo)學(xué)生對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析，研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性和科學(xué)性。

2.3 拉曼光譜的科研實(shí)驗(yàn)

上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是針對本科基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)專業(yè)低年級學(xué)生開展的實(shí)驗(yàn)，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，鍛煉動手能力。對于七年制臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)和生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的高年級學(xué)生則根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究工作進(jìn)展情況，安排他們參與實(shí)驗(yàn)室的科研實(shí)驗(yàn)。

2.3.1 生物樣品的采集和制備

本實(shí)驗(yàn)室主要檢測的是唾液、血清等生物樣品，這些樣品的采集和制備都有嚴(yán)格的要求［5］。實(shí)驗(yàn)前的樣品準(zhǔn)備是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。前期樣本采集需要在臨床醫(yī)院進(jìn)行，學(xué)生需要去醫(yī)院監(jiān)督采集過程的規(guī)范性并整理病人的病歷。在實(shí)驗(yàn)室，樣本需要經(jīng)過離心處理后，取上清液到納米芯片上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

為了便于學(xué)生分析處理，特意設(shè)計(jì)了對吸煙人群的拉曼光譜分析實(shí)驗(yàn)，學(xué)生分別采集不吸煙、少量吸煙和大量吸煙的人群的唾液作為樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并于前期實(shí)驗(yàn)室關(guān)于吸毒/戒毒數(shù)據(jù)［10］進(jìn)行對比分析。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步的去基線、歸一化處理后，將進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。目前實(shí)驗(yàn)室主要采用的高維小樣本數(shù)據(jù)的分析方法，對于大批量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行分類和主成分分析，學(xué)生可以在R軟件或Matlab軟件中完成處理工作。結(jié)合分類結(jié)果，還可以對光譜圖的進(jìn)行圖譜分析，查找特征峰。

3 實(shí)踐效果

上述實(shí)驗(yàn)是在本科生第二課堂及科研訓(xùn)練中完成，因此并不完全拘泥于形式，實(shí)驗(yàn)過程以檢測系統(tǒng)的操作手冊為主，并結(jié)合文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.1 培養(yǎng)了學(xué)生的研究興趣

在認(rèn)識實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室提供了3種水晶制品：黃晶、粉晶和灰晶，也有學(xué)生帶自己的水晶制品。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生觀察譜線的特點(diǎn)。由于水晶制品質(zhì)量的不同以及檢測功率的不同，我們指導(dǎo)學(xué)生做了定性的分析。有興趣的學(xué)生還帶來翡翠等其他寶石類制品進(jìn)行觀察研究，達(dá)到了認(rèn)識實(shí)驗(yàn)的目的。

在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生也集思廣益，提出檢測多種樣品，比如牛奶、飲料等。但考慮到目前市售牛奶多為合格產(chǎn)品，可能不含有三聚氰胺或含量較低，因此在完成指定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，指導(dǎo)學(xué)生做了相應(yīng)的檢測實(shí)驗(yàn)并結(jié)合文獻(xiàn)［5－9］分析了處理后的數(shù)據(jù)。

3.2 提高了學(xué)生的科研能力

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，我們突出了研究方法的學(xué)習(xí)，使學(xué)生不僅掌握了一種實(shí)驗(yàn)儀器，也學(xué)習(xí)了科學(xué)研究的方法和過程。從學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開始，就指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)查詢；在實(shí)驗(yàn)過程中也充分尊重學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思路，以啟發(fā)和鼓勵為主，盡可能地幫助學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)過程；后期的數(shù)據(jù)處理和分析也是一個(gè)完整的科研訓(xùn)練不可缺少的部分，圖3為學(xué)生檢測和處理后的數(shù)據(jù)圖。

圖3 學(xué)生食用油實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與去基線處理結(jié)果

3.3 構(gòu)建教學(xué)科研互動平臺

在上述實(shí)驗(yàn)后，臨床專業(yè)的學(xué)生掌握了一種新的檢測方法，在他們未來的工作，尤其是科研工作中將發(fā)揮一定的作用，也有利于拉曼光譜檢測技術(shù)在臨床中的推廣和應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，對于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生，我們結(jié)合本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，與實(shí)驗(yàn)室日常的科研工作相銜接，建立了教學(xué)科研互動平臺，在掌握實(shí)驗(yàn)方法和研究方法后，進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，將科研內(nèi)容不斷地充實(shí)到創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使科研和教學(xué)緊密結(jié)合，不斷獲得更新和提高。2008年至今，已有3位學(xué)生獲得優(yōu)秀本科生畢業(yè)論文，相關(guān)的研究成果也發(fā)表了科研論文。

4 結(jié)論

我們結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有的科研設(shè)備和研究成果，選取一些實(shí)驗(yàn)過程易于控制、實(shí)驗(yàn)結(jié)果易于分析的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容引入到本科生的第二課堂和科研訓(xùn)練過程中，探索了利用科研儀器設(shè)備進(jìn)行本科生實(shí)驗(yàn)的方法，達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生研究興趣、激發(fā)學(xué)生鉆研創(chuàng)新意識、提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的目的，在實(shí)踐中也取得了良好的效果。

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［1］章軍軍，崔秀華.加強(qiáng)科研儀器設(shè)備在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25（2）：174－176.

［2］莊明珠，陳閩軍，劉玉敏.發(fā)揮科研平臺優(yōu)勢努力培養(yǎng)創(chuàng)新人才［J］.高等工程教育研究，2005（5）：67－69.

［3］張忠，韓琳，徐軍.淺談醫(yī)學(xué)院校科研儀器設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2005（10）：45－46.

［4］Wang H H，Liu C Y，Wu S B，et a1.Highly Raman－enhancing substrates based on silver nanoparticle arrays with tunable sub－10gaps［J］.Adv Mater，2006，18（4）：491－495.

［5］陳安宇，王燕，焦義，等.基于表面增強(qiáng)拉曼檢測技術(shù)的唾液檢測研究［J］.中國醫(yī)療設(shè)備，2008（11）：4－5，22.

［6］曲典，王燕，焦義，等.基于表面增強(qiáng)拉曼技術(shù)的唾液篩查“冰毒”依賴者方法初探［J］.中國衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志，2009，19（11）：2558－2559.

［7］劉敬華，華琳.表面增強(qiáng)拉曼光譜無創(chuàng)檢測艾滋病的方法初探［J］.北京生物醫(yī)學(xué)工程，2009，28（5）：528－530.

［8］Wang Yan，Hua Lin.Preliminary Study on the Quick Detection of Acquired Immure Deficiency Syndrome by Saliva Analysis using Surface Enhanced Raman Spectroscopic technique［C］//31st Annual International Conference of the IEEE EMBS.2009：885－887.

［9］Wang Yan，Sun Shuang.Preliminary Study on Early Detection Technology of Lung Cancer based on Surface－Enhanced Raman Spectroscopy［C］//The 3rd International Conference on BioMedical Engineering and Informatics（BMEI’10）.2010：2081－2084.

［10］呂平，王嘉銘，張?jiān)焕?探討激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009（6）：58－61.

［11］叢培盛，孫玉萍，王曉崗，等.拉曼光譜鑒別寶石教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（2）：137－139.

［12］陸慧，陰其俊，錢水兔，等.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研相結(jié)合的探索與實(shí)踐［J］.大學(xué)物理，2008，27（8）：48－51.