表面增强拉曼光谱技术结合机器学习方法在生物医学领域应用的最新进展

近年来,运用表面增强拉曼光谱(SERS)技术对生物样本检测的研究发展十分火热,尤其是结合机器学习方法的SERS技术在临床样本诊断方面的运用日趋成熟。机器学习方法是基于无监督和有监督的算法,可以解决复杂的样本和大量、高维的数据信息,在生物分析领域受到高度关注。本文介绍了SERS技术结合机器学习方法的相关应用,尤其是在生物医学领域。SERS既可以使用免标记的策略检测生物样本的指纹信息,又可以使用标记方法跟踪蛋白质等生物标志物实现间接检测。本文总结了SERS技术结合机器学习方法用于血液、尿液、组织等临床样本进行疾病诊断的最新进展。此外,本文还汇总了细胞样本及其他复杂样本SERS分析中机器学习方法运用的实例。该文综述了这一领域的最新进展,为从事SERS生物分析领域的研究人员提供可借鉴的方案。

Pentacam三维眼前节分析仪检查参数在顿挫期圆锥角膜中的诊断价值

目的:探讨Pentacam三维眼前节分析仪检查参数在顿挫期圆锥角膜中的诊断价值。方法:选取2023年1—12月广西壮族自治区人民医院收治的圆锥角膜患者99例124眼为试验组,将试验组根据圆锥角膜疾病进展分为顿挫期组(n=31)和进展期组(n=93),另选取近视眼患者110例220眼作为对照组。比较各组Pentacam三维眼前节分析仪检查参数角膜后表面中央3 mm光学区内平坦子午线屈光度(K1B)、角膜后表面中央3 mm光学区内陡峭子午线屈光度(K2B)、角膜前表面中央3 mm光学区内平坦子午线屈光度(K1F)、角膜前表面中央3 mm光学区内陡峭子午线屈光度(K2F)、表面变异指数(ISV)、垂直非对称性指数(IVA)、圆锥角膜指数(KI)、中心圆锥角膜指数(CKI)、高度非对称性指数(IHA)、高度偏心指数(IHD)、角膜后表面最小曲率半径(Rmin)、角膜前表面最大屈光度(Kmax)、角膜上下屈光率差(IS)、以最薄点为中心的3.0 mm区域的前表面曲率半径(ARC)、以最薄点为中心的3.0 mm区域的后表面曲率半径(PRC)、最薄点测厚值(TP)、前表面差异偏差(Df)、后表面差异偏差(Db)、平均进展差异偏差(Dp)、最薄点偏差(Dt)、ARTmax的偏差(Da)、最终D值(BAD-D)、前表面最佳拟合球面(BFSF)、后表面最适拟合球面(BFSB)、角膜厚度进展指数最小值(PPImin)、角膜厚度进展指数最大值(PPImax)、Ambrosio相对厚度最小值(ARTmin)、Ambrosio相对厚度最大值(ARTmax)情况。采用受试者工作特征(ROC)曲线分析诊断顿挫期圆锥角膜的敏感指标。结果:对照组ISV、IVA、KI、CKI、IHA、IHD、Rmin、Kmax、IS、PRC、Df、Db、Dp、Da、BAD-D、PPImax、ATRmax与顿挫期组比较,差异有统计学意义(P<0.05);对照组K1B、K2B、K1F、K2F、ISV、IVA、KI、CKI、IHA、IHD、Rmin、Kmax、IS、ARC、PRC、TP、Df、Db、Dp、Dt、Da、BAD-D、BFSF、BFSB、PPImin、PPImax、ARTmin、ARTmax与进展期组比较,差异有统计学意义(P<0.05)。对照组与顿挫期组分析结果显示:IHD的AUC最大,为0.899,IVA为0.898,ISV为0.847,BAD-D为0.819。对照组与进展期组分析结果显示:ISV的AUC最大,为0.991;K2B、K2F、IVA、KI、CKI、IHA、IHD、Rmin、Kmax、IS、ARC、PRC、TP、Df、Db、Dp、Dt、Da、BAD-D、PPImin、PPImax、ARTmin、ARTmax均>0.90,K1B、K1F、BFSF均>0.80,综上,ISV、IVA、IHD、BAD-D在顿挫期圆锥角膜中的诊断价值较好。结论:Pentacam三维眼前节分析仪检查参数可有效诊断圆锥角膜,其中ISV、IVA、IHD、BAD-D是诊断顿挫期圆锥角膜的敏感指标。

地下水土著微生物菌群吸收维生素强化微生物降解烷烃效率分析

针对我国东北某石油污染地下水低温、低氧和寡营养的环境特点,开展微生物降解烷烃实验.通过批序静态实验确定刺激土著微生物发挥降解作用的营养基质成分,考察维生素B(VB)、维生素C(VC)和维生素H(VH)对土著功能降解菌生长及微生物降解烷烃的影响.实验结果表明:VB_(1),VB_(3),VC和VH对土著微生物的生长有抑制作用,VB_(6)和VB_(12)促进土著微生物生长;维生素对微生物降解烷烃影响主要表现为VB_(6),VB_(12)和VH对烷烃降解在一定程度上有促进作用,维生素组分优化后烷烃降解率为73.91%~89.60%,其中VB12促进作用最明显,5μg/L的VB_(12)促进微生物的生长效果最好;当地下水中烷烃质量浓度为10 mg/L时,在10℃、低氧条件下,加入高效维生素的最佳营养基质7 d时烷烃降解率可达91.17%;烷烃的降解规律符合二级降解动力学方程,R2均大于0.900;相比于未受营养基质刺激作用,当优化后的维生素高效刺激土著菌降解烷烃时,烷烃优势菌属的相对丰度显著提高.

中国沿海和近海海平面上升预测

本文利用验潮站观测和卫星高度计数据,以及基于筛选的CMIP6的10个模拟性能较好的地球系统模式结果,对中国海平面的长期变化趋势,以及未来上升幅度进行了分析和预测。结果显示:(1)1960-2021年,中国沿海海平面呈加速上升趋势,上升速率为2.5 mm/a,加速度为0.06 mm/a^(2);1993-2021年上升速率为4.0 mm/a,高于全球同期3.3 mm/a的上升值。(2)1980-2021年,渤、黄海,东海和南海沿海海平面上升速率分别为3.5mm/a、3.3mm/a和3.6mm/a,渤、黄海和南海沿海海平面上升速率较快,东海偏慢;渤、黄海沿海海平面在20世纪60-70年代上升较慢,80年代之后上升加快。(3)在中等情景(SSP2-4.5)和高情景(SSP5-8.5)下,2050年中国近海海平面将上升0.22m(0.19~0.28m)和0.24 m(0.21~0.33 m);到2100年,中国近海海平面将上升0.59 m(0.47~0.80 m)和0.83 m(0.64~1.09 m)。(4)2021-2040年,统计预测的海平面上升中值略接近数值模式低、中和高情景预测值。2041-2060年,数值模式低、中和高情景预测值均介于统计预测的中值和高值之间。2081-2100年,统计预测的海平面上升高值与数值模式中情景预测值接近,绝对偏差为0.017m,相对偏差为3.4%。(5)高情景下,2100年现有100年一遇的极端高海面将变为不足10年一遇,其中超过50%的站点将变为不足两年一遇,沿海防护工程等基础设施的防御能力降低,复合型滨海城市洪涝等灾害事件的风险增加。

白芍总苷对过敏性紫癜小鼠Treg/Th17免疫平衡及JAK1/STAT3信号通路蛋白的影响

目的:基于蛋白酪氨酸激酶1/信号转导因子3(JAK1/STAT3)信号通路探讨白芍总苷对过敏性紫癜小鼠Treg/Th17免疫平衡的影响。方法:动物实验分为对照组、模型组、实验组、抑制剂组,模型组、实验组、抑制剂组小鼠尾静脉注射印度墨水及灌胃麦角蛋白复制过敏性紫癜模型,实验组、抑制剂组小鼠每日灌胃0.1 g/kg白芍药总苷和AG490,连续处理4周。ELISA测定各组小鼠血清IL-10及IL-17含量;流式细胞术检测各组小鼠血清Treg、Th17变化;Western blot检测各组小鼠皮肤和肾脏组织p-JAK1、p-STAT3表达。结果:与对照组相比,模型组、实验组、抑制剂组小鼠血清Treg占CD4+T细胞比例和IL-10含量明显下降,Th17占CD4+T细胞比例、IL-17含量以及小鼠皮肤和肾脏组织p-JAK1、p-STAT3表达明显升高(均P<0.05);与模型组相比,实验组、抑制剂组小鼠血清Treg占CD4+T细胞比例和血清IL-10含量明显升高,Th17占CD4+T细胞比例、IL-17含量以及小鼠皮肤和肾脏组织p-JAK1、p-STAT3表达明显降低(均P<0.05)。结论:白芍总苷可通过抑制JAK2/STAT3信号通路调控过敏性紫癜小鼠Treg/Th17免疫平衡。

超声波流量计对掺氢天然气管路结构的适应性研究

氢气作为全球脱碳目标的重要载体,输送量是限制其大规模应用的主要瓶颈。掺氢天然气是实现大流量输送氢气的一种重要途径。氢气的掺入导致流速畸变,降低超声波流量计的性能。以掺入氢气的甲烷为主要工质,对8种类型掺混管路内部的气体流动状态进行模拟仿真研究,分析流场内气体速度和氢气浓度的分布状态;并对超声波流量计的适应性进行分析,确定其推荐安装位置。在超声流量计的适应性分析中,三匝螺旋管时仅需15D;对于单螺旋结合变径管的适应性影响更大,最小需要96D。通过比较,掺混管路C为最佳模型,掺混均匀时的氢气摩尔分数约为3.9%。可为超声波流量计在掺氢天然气准确计量方面提供参考。

基于Attention-ResNet-LSTM混合神经网络的盾构掘进速度预测新方法

针对传统方法存在的盾构性能精准预测阻碍盾构快速掘进技术发展的难题,提出一种基于Attention-ResNet-LSTM混合神经网络的盾构掘进速度预测方法。相比传统的LSTM、GRU等网络预测模型,Attention-ResNet-LSTM模型引入了Attention机制。长距离盾构掘进过程中,针对地层条件存在很大的变异性情况,该模型可自适应更新权重矩阵,让模型面对不同的任务时具有一定的自调节能力,可有效提升预测精度。依托中俄东线天然气管道工程对盾构掘进速度进行了实时预测和验证,且结果表明该方法可分析盾构掘进过程中输入、输出参数之间的相关性,且具有较好的适应性。

基于LoRa无线传输的新一代避雷器在线监测装置研制

氧化锌避雷器在线监测装置是预防避雷器绝缘故障最有效的方法之一,而变电站规模大,传统的避雷器在线监测装置需要大量布线,工作量巨大。开发一种基于LoRa通信的无源无线避雷器监测装置,该装置无需供电布线,安装便捷。通过河北1000 kV邢台变应用在线结果与离线仪器检测结果比对,验证了该装置的精确度、稳定性与有线装置无异,具备很好的应用推广价值。

京沈客专望京隧道超深竖井施工技术革新

针对京沈客专望京隧道2号竖井施工中68 m深的地下连续墙在富含承压水且以粉细砂层为主的软弱地层中成槽难、垂直度控制难、42 m深的基坑安全与主体结构质量控制难等问题,提出对超深地下连续墙创新采用双拼工字钢接头柱、基坑上半部采用钢支撑替代混凝土支撑、基坑下半部环框梁与混凝土内支撑逆作、环框梁和腰梁合二为一、改进接头防水方式、改变竖井主体结构施工工艺等多项技术革新。得出主要结论如下:1)在地下水丰富的软弱地层中,采用双拼工字钢接头柱可以显著提高超深地下连续墙的垂直度,减少接缝渗漏水现象;2)通过优化超深竖井内部支撑体系和主体结构的施工顺序,并且将临时支撑结构和永久结构合二为一,可以显著加快施工进度、提高施工安全、节省施工成本。

柔性夹爪收缩与扩张过程的能耗研究

通过工控机的数据采集系统,结合传感器技术、信号处理技术等,搭建设备建立气体压力、流量等参数的在线测量系统,实现对测控系统的调节和控制。首先,分别采集柔性夹爪在收缩和扩张时不同初始压力下的压力与流量;然后,通过SigmaPlot绘出柔性夹爪压力流量图,并对柔性夹爪流量压力输出特性进行分析;最后,计算其气动功率,研究能耗规律。结果表明:对柔性夹爪进行收缩实验时,给定的初始压力与柔性夹爪产生的压力相差不大,气动功率损耗较小;对柔性夹爪进行扩张实验时,提供的初始压力通过真空发生器间接作用在柔性夹爪上,与柔性夹爪产生的压力相差较大,柔性夹爪达到规定压力时需要提供更大的初始压力;柔性夹爪收缩时比扩张时的气动功率损耗低。

多台大直径泥水盾构快速拆机及存储方法研究

为解决多台大直径泥水盾构在同一竖井拆机风险高、工序复杂、耗时长及储存困难的问题,以京沈铁路客运专线望京隧道4台大盾构在同一接收井拆机转场为例,重点介绍快速拆机的准备工作及流程,并将竖井拆机与盾构储存场地再组装结合。结果表明:1)大直径盾构利用率低,存储时间长,将盾构关键部位简易再组装起来,有利于节约存储场地及维护保养成本;2)多台大直径盾构闹市区小场地、同一竖井陆续拆机存储时,在存储场地将盾构再组装起来,可实现盾构快速拆机转场。

一种保护层可揭除的新鲜多级银SERS活性基底

以多级结构的阳极氧化铝(AAO)为模板,通过真空蒸镀金属银层拷贝AAO的多级结构,获得了以AAO及铝基为保护层的银多级微纳结构.该保护层可在基底用于表面增强拉曼散射(SERS)检测时直接揭除.此方法解决了传统银材质纳米结构作为SERS基底使用时表面易被氧化及污染的问题,可最大程度保证基底的新鲜度,做到即用即揭.

动压轴承的莫顿效应建模和参数分析

首先,对可倾瓦动压轴承进行三维热弹流建模,并通过三维有限元算法求解转子-轴承系统的动力学和热变形,以达到在时域上预测莫顿效应的目的;其次,基于压缩机转子-轴承案例,验证了莫顿效应算法的有效性;最后,对轴承支点偏移系数、轴承间隙和供油温度进行参数分析,结果表明:增大支点偏移系数和轴承间隙可有效抑制莫顿效应,并减小转子的周向温差和振幅;降低供油温度虽可以降低转子的平均温度,但油膜黏度会随之增大,反而加剧了莫顿效应,增大了转子的周向温差和振幅。

生命体征数据采集系统的设计与实现

目的病人生命体征数据的采集是护理人员每天的必备工作,每采集一个数据就要手工抄写下来,等采集完毕后还需要将所有的数据手工输入到护理系统中。为了代替手工抄写和录入,本文设计了一套生命体征数据采集系统,用于实现病人生命体征数据的信息化采集。方法使用Android Studio编程软件实现对生命体征数据采集系统APP的设计,使用IntelliJ IDEA实现对数据库的编程。结果进入生命体征数据采集系统APP后,先让PDA与生命体征测量设备通过蓝牙进行连接,使用PDA扫描病人腕带读取病人信息,然后使用测量设备对病人进行测量,APP自动获取测量到的生命体征数据,并通过无线网络发送至数据库。结论生命体征数据采集系统从源头上实现了生命体征数据的信息化采集,不仅节省了护理人员的时间,而且还避免了手工抄录过程中出错,有利于提高护理质量。

稻米蒸煮特性QTL定位及与感官食味品质的相关性分析

稻米蒸煮特性和感官食味品质是稻米品质的重要评价指标,其遗传复杂。为挖掘与利用优异的稻米品质基因,本研究利用籼稻昌恢121为受体亲本和优质粳稻越光为供体亲本构建的一套染色体片段置换系(CSSL),对稻米的吸水率(WA)、延伸率(CRE)和膨胀率(VE)3个蒸煮特性进行QTL定位。共检测到4个QTL,分布于第8和第11号染色体上。qWA-8、qCRE-8、qCRE-11和qVE-11的表型贡献率和加性效应值分别为25.05%、25.94%、27.95%、41.16%和-25.68、-8.00、8.30、30.31,其中位于第11号染色体上分子标记RM287附近的qCRE-11和qVE-11为新鉴定的QTL。对稻米蒸煮特性与感官食味品质性状进行相关性分析,发现两者之间无相关性,稻米蒸煮特性WA、CRE与VE之间两两呈极显著正相关,米饭外观(AP)、香味(ARM)、味道(TA)、口感(TE)和感官评分(SS)之间两两呈极显著正相关。本研究结果为了解稻米蒸煮特性与感官食味品质性状间的相互关系,挖掘优异等位基因以及稻米品质的遗传改良提供了一定的理论依据。

天然气掺氢在管道流动中的氢浓度分布

天然气掺氢是解决氢气产地与使用地不匹配,进而实现氢气大规模、远距离输送的主要方法。由于氢气的存在会导致在役天然气管道出现氢脆引起安全事故。所以,研究天然气掺氢管路中氢气组分、速度、聚集的规律分析十分必要。本文选用天然气和氢气两种工质,构建T型掺混管路模型和变径管路模型;并基于Fluent软件对T型掺混管路和10种变径掺混管路进行数值模拟研究。结果表明,对于T型掺混管路,在管长是管径35倍处内依然有明显分层,宽度占据1/3管径。对于变径掺混管路,发现变径越靠近掺混中心、直径越窄、高度越低越容易发生氢气富集,氢气摩尔分数最高达到50%~60%,易引起管道的氢脆。研究结果可对天然气掺氢在管道中流动的氢浓度分布和管道变径选取提供参考。

SERS纳米探针对电刺激过程中细胞内产生活性氧的检测

电刺激是用于细胞内紊乱电活动引起疾病的一类重要治疗方式.在电刺激过程中是否会诱导细胞内活性氧(ROS)水平的改变,以及常规抗氧化抑制药物与电刺激治疗同时运用带来的影响,目前尚未有相关研究.本文设计了一种具有较好生物相容性的金/银核壳纳米棒表面增强拉曼(SERS)活性探针,用于电刺激过程中细胞内产生ROS的检测.将该探针与细胞共孵育,使其内化入细胞,对细胞进行不同时间的电刺激,利用拉曼光谱对SERS探针的信号进行检测.实验结果表明,随着电刺激时间的延长,SERS信号减弱,说明细胞内产生ROS的量明显增加.该传感机制是利用ROS能刻蚀金/银核壳纳米棒的银壳,从而使其变薄引起SERS信号减弱.抗坏血酸(AA)和谷胱甘肽(GSH)两种抗氧化抑制剂类药物与电刺激同时运用时,可观察到它们会对电刺激过程产生的ROS有清除作用.该研究发展了一类用于细胞内ROS检测的光谱方法,也为异常的氧化应激和肿瘤治疗过程中的组合用药提供了建议.

前庭性偏头痛患者的前庭功能分析

目的探讨前庭性偏头痛(vestibular migraine,VM)患者的前庭功能特点。方法对43例确诊为VM的患者(VM组)及30例健康志愿者(对照组)分别进行纯音测听、声导抗、冷热水试验(caloric test)、眼肌前庭诱发肌源性电位(ocular vestibular evoked myogenic potential,oVEMP)、颈肌前庭诱发肌源性电位(cervical vestibular evoked myogenic potential,cVEMP)和视频头脉冲试验(video head impulse test,vHIT),比较分析两组结果。结果VM组患者中纯音测听、冷热水试验、oVEMP及vHIT中的水平增益、代偿性扫视异常例数分别为10例(23.3%)、14例(32.6%)、18例(41.9%)、14例(32.6%)、13例(30.2%),显著高于对照组[分别为0例(0%)、3例(10.0%)、5例(16.7%)、1例(3.3%)、0例(0%)](P<0.05),而声导抗、cVEMP及vHIT中的水平不对称性比异常例数分别为3例(7.0%)、10例(23.3%)、3例(7.0%),与对照组[分别为0例(0%)、7例(23.3%)、2例(6.7%)]差异无统计学意义(P>0.05)。43例VM患者中,oVEMP振幅比(amplitude ratio,AR)及耳间不对称比(interaural asymmetric ratio,IAR)的异常率最高,分别为41.9%及34.9%。结论 VM患者存在一定程度的前庭功能损害,纯音测听、冷热水试验、oVEMP及vHIT中的水平增益、代偿性扫视结果有助于VM患者的诊断及与其他前庭性疾病的鉴别。

穿戴式脉诊仪系统设计

为了完整地复现中医诊脉过程。通过对中医脉学的理论研究以及诊脉过程的模拟分析,结合穿戴式医疗设备的特点,在脉搏信号采集技术和处理与分析技术研究的基础上,设计了一种能够实现佩戴舒适、精确施压以及多路采集的穿戴式脉诊仪系统。为揭示脉搏信号所反映人体生理信息和健康状态的科学机理提供数据理论支撑。

细胞氧化应激过程中几种关键分子的SERS检测方法

细胞的氧化过程与癌症、心血管疾病、神经退行性疾病、糖尿病等多种疾病的发展密切有关。针对氧化反应发生,细胞产生应激反应。这一系列刺激响应过程中会产生一些关键性分子,例如活性氧簇分子(ROS)等。对这些关键分子的分析检测不仅可以有助于理解这些分子在过程中扮演的重要角色,更是对疾病的发生和发展规律有深入的理解。本文重点汇总了分析和检测细胞内氧化应激关键分子所采用的表面增强拉曼光谱(SERS)技术,从SERS方法的设计策略出发,对现有方法归类总结,枚举了多项中国同行的研究工作,并展望了其未来发展方向。