CN100434919C - 用于探测癌细胞的生物磁感应压电传感阵列 - Google Patents

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一种用于探测癌细胞的生物磁感应压电传感阵列，由微磁感应器、微压电石英共振器等元件构成，将表面附有与待测癌细胞抗原体对应的特异性蛋白质抗体的磁微球加到微反应器中，使样品中的目标细胞与磁微球发生免疫反应，生成的抗体磁微球-抗原癌细胞的生物组合体加到生物磁感应压电传感器阵列的微腔体中，在微磁感应器的作用下，使生物组合体迅速接触到微压电石英共振器的上表面而改变其共振频率特性，将此与生物组合体的质量和数量相关的共振信号转换成相应的电子信息。本发明将免疫纳米磁微球技术与磁感应压电传感阵列进行系统集成来探测细胞特性，能够从多种细胞共存的复杂体系中探测到为数极少的癌细胞，具有高的检测灵敏度。

Description

用于探测癌细胞的生物磁感应压电传感阵列
技术领域
本发明涉及一种用于探测癌细胞的生物磁感应压电传感阵列，采用石英晶体压电微传感器阵列与磁感应器等元件，与纳米免疫磁微球集成一种用于恶性肿瘤早期诊断的纳米生物电子探测微系统，采用免疫纳米磁微球俘获待测样品中的目标细胞，通过生物磁感应压电传感阵列可将待测生物组合体的质量和数量转换成相应的电子信息。
背景技术
一般来讲肺癌诊断的方法主要有病理学、影像学、免疫学、分子生物学。所检测的标本有痰液、肿块、胸水和血液等。就目前我国医院影象学检测水平来讲，普遍认为一旦发现肺癌肿块，大多数情况下肿块已≥1cm，患者的病程已不在早期。在上述各项细胞学检查中，尤以血液、痰液细胞检查的应用最为普遍，痰液癌细胞检测有助于提高早期病例的检出率；血液癌细胞检测主要解决临床肺癌患者转移复发预测、预后判断、特异性抗复发治疗问题。而目前，痰液癌细胞检查最终是依赖于光学技术，靠显微镜观测判断分析；血液检测标本最终是通过PCR(多聚酶链反应)扩增效应进行基因定量分析。还有一种基于压电石英晶体和PZT(锆钛酸铅)压电材料的电子传感技术的探测方法，检测生物大分子需要在压电传感器表面固定化抗体，通过抗体与生物大分子表面的抗原体发生免疫反应，使得传感器表面质量增加，从而改变传感器输出频率，以达到将生物大分子的质量转化成相应的电子信息的目的。这种方法由于需要在传感器的表面进行免疫反应，难以将血液和痰液复杂体系中的数个癌细胞从成千上万个其它细胞中分离并积聚到传感器的表面，不仅灵敏度和检测率非常低，而且要实现零误检测非常困难。
目前采用的通用方法是先在石英晶体压电共振器的表面预包覆上可生成憎水性的或者可以与抗体结合生成共价键聚合物的分子层，然后固定有选择性的生物材料抗体，并与被检测生物大分子抗原体发生免疫反应，这种工艺方法通常称为化学固定法。其缺点有两个：其一，在实验结束后要打开生物材料和检测物质的化学键，或者把生物材料和检测物质都清洗掉，重新在预包覆的涂层上结合生物材料，无论那种方法都会影响下次实验的效果。大多数的实验表明，石英谐振器可重复使用5-8次，此后，敏感性只有第一次的25％或者更低；其二，要达到从成千上万个其它细胞的复杂体系中对低浓度(10-4-10-6个/L)肺癌细胞目标进行准确而快速的分子识别和锁定，并将其转换成相应的电子信息图谱的目标十分困难；而且误诊断的概率比较大。国外的研究报道了(Bioassay ofprostate-specific antigen using microcantilevers，Nature Biotechnology19，856-860，2001)一种超敏感悬臂梁生物传感技术，用于肿瘤检测与治疗的多种蛋白的定量检测技术，是采用PZT压电悬臂梁生物传感器共振和灵敏度特性，可对2ng的吸附物作出明显反应。但是，到目前为止，还没有关于一种不需要在传感器表面进行免疫反应，可以准确快速探测复杂体系中的细胞特性的纳米生物电子探测方法的报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种用于探测癌细胞的生物磁感应压电传感阵列，将免疫纳米磁微球技术与磁感应压电传感阵列进行系统集成来探测细胞特性，能够从成千上万个多种细胞共存的血液、痰液等复杂体系中探测到为数极少的癌细胞，对生物大分子质量的检测具有高的灵敏度，可以达到纳克级、检测正确性高、快速简便，适合对重大疾病预测和普查，也可以对临床肿瘤患者的癌细胞转移复发进行诊断与监测。
为实现这一目的，本发明采用微磁感应器、微压电石英共振器等元件，构成一种用于恶性肿瘤早期诊断的生物磁感应压电传感器阵列，当免疫纳米磁微球加入到复杂体系血液或唾液中后，待测样品中的目标细胞将会被免疫纳米磁微球所俘获，并发生免疫反应，生成由免疫纳米磁微球与癌细胞组成的生物组合体，一旦将被检测样品加到样品腔体中，在微磁感应器的作用下，生物组合体会迅速接触到微压电石英共振器的上表面，从而改变其共振频率特性，可将待测生物组合体的质量和数量转换成相应的电子信息。
本发明采用的生物磁感应压电传感阵列由若干个相同的工作单元构成，每个工作单元包括信号采集系统、微磁感应器、微压电石英共振器及磁感应信号控制器等。采用高分子材料制备的上平台和下平台合成压电传感工作单元的主体，上平台内部中央为微腔体，下平台内部设置的微磁感应器与磁感应信号控制器相连，微磁感应器上部设置微压电石英共振器，微压电石英共振器表面作为微腔体的底部，微压电石英共振器的信号输出连接信号采集系统。输入微泵和输出微泵分别从工作单元主体的两端连接到微腔体。在微反应器中生成的抗体磁微球-抗原癌细胞的生物组合体，通过微液器加到微腔体中，磁感应信号控制器控制微磁感应器产生磁场，生物组合体在微压电石英共振器表面产生的共振信号变化由信号采集系统收集并转换成相应的电子信息。
本发明利用生物磁感应压电传感阵列探测癌细胞的方法具体包括如下步骤：
1、提取1-10毫升经液化处理的唾液或血液复杂体系样品，加入到微反应器中，备用；
2、将与待测癌细胞抗原体对应的特异性蛋白质抗体加到含有Fe3O4磁微球的溶液中，得到表面附有抗体的磁微球，抗体磁微球的尺寸为50-200nm，在溶液中的浓度105～108个/ml。然后取含抗体磁微球的溶液1-5ul加入到微反应器中，使抗体磁微球与微反应器中具有特异性蛋白质抗原的癌细胞进行免疫反应，免疫反应温度为25-30℃，免疫反应时间为2-6分钟，生成抗体磁微球-抗原癌细胞的生物组合体。
3、采用微液器从微反应器中取0.1-5ml含有抗体磁微球-抗原癌细胞的生物组合体的溶液作为待测试样品，以等体积的方式加到生物磁感应压电传感阵列的每个微腔体中。
4、由生物磁感应压电传感阵列中的磁感应信号控制器发指令，控制微磁感应器工作1-2分钟，使微腔体内产生磁场，微腔体内的生物组合体在磁场作用下接触到微腔体底部微压电石英共振器的表面，使微压电石英共振器的共振频率随其表面生物组合体质量的不同而发生有规律的变化，由信号采集系统采集与生物组合体质量和数量相关的共振信号并将其转换成相应的电子信息，完成癌细胞的探测。
本发明利用生物磁感应压电传感阵列探测癌细胞的方法具有显著的特点：
(1)简化了对复杂体系细胞溶液的分析过程；(2)能够从癌细胞与成千上万阴性细胞共存的复杂体系中，对低浓度(10-1-10-3个/ml)癌细胞进行分析；(3)对分析样品的用量少，从1μl到10ml，检测范围为10-1-103个/ml癌细胞，理论检测率为100％，实际检测率目前可以达到85％以上。
本发明对癌细胞质量的检测灵敏度可以达到纳克级，快速简便，适合对重大疾病的普查预测预报，也可对临床癌患者转移复发进行诊断监测。本发明的检测方法将会在恶性肿瘤临床早期诊断、治疗、健康普查以及食品安全、环境检测方面产生积极影响。
附图说明
图1为本发明方法采用的生物磁感应压电传感阵列的结构示意图。
图1中，1为微反应器、2为信号采集系统、3为输入微泵、4为微磁感应器、5为弹性环形密封圈、6为微压电石英共振器、7为微液器、8为微腔体、9为微纳生物组合体、10为微定位器、11为上平台、12为输出微泵、13为下平台、14为磁感应信号控制器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明方法采用的生物磁感应压电传感阵列由若干个相同的工作单元构成，每个工作单元的结构如图1所示，主要包括信号采集系统2、上平台11和下平台13合成的工作单元主体、微磁感应器4、微压电石英共振器6、弹性密封圈及磁感应信号控制器14等。采用高分子材料制备的上平台11和下平台13合成压电传感工作单元的主体，上下四周采用若干个微定位器10定位固定。上平台11内部中央为微腔体8，下平台13内部设置的微磁感应器4与磁感应信号控制器14相连，微磁感应器4上部设置微压电石英共振器6，微压电石英共振器上下镶嵌弹性环形密封硅橡胶圈5，微压电石英共振器6表面作为微腔体8的底部，微压电石英共振器6的信号输出连接信号采集系统2。输入微泵3和输出微泵12分别从工作单元主体的两端连接到微腔体8。在微反应器1中生成的抗体磁微球-抗原癌细胞的生物组合体9，通过微液器7加到微腔体8中，磁感应信号控制器14控制微磁感应器4产生磁场，生物组合体9在微压电石英共振器6表面产生的共振信号变化由信号采集系统2收集并转换成相应的电子信息。
检测完毕之后，可通过输入微泵3和输出微泵12将浓度为1mol/L磷酸盐溶液输送到工作单元的微腔体8中，冲洗1-5分钟。
本发明采用若干个相同的工作单元构成生物磁感应压电传感阵列，可以对相同的样本同时进行并列检测，以提高癌细胞检测的精度；也可以对不同的样本同时进行检测，以提高癌细胞检测的效率。
本发明利用生物磁感应压电传感阵列探测癌细胞的方法如下：
1、提取1-10毫升经液化处理的唾液或血液复杂体系样品，加入到微反应器1中，备用；
2、将与待测癌细胞抗原体对应的特异性蛋白质抗体加到含有Fe3O4磁微球的溶液中，得到表面附有抗体的磁微球，抗体磁微球的尺寸为50-200nm，在溶液中的浓度105～108个/ml。然后取含抗体磁微球的溶液1-5ul加入到微反应器1中，使抗体磁微球与微反应器1中具有特异性蛋白质抗原的癌细胞进行免疫反应，免疫反应温度为25-30℃，免疫反应时间为2-6分钟，生成抗体磁微球-抗原癌细胞的生物组合体9。
3、采用微液器7从微反应器1中取0.1-5ml含有抗体磁微球-抗原癌细胞的生物组合体9的溶液作为待测试样品，以等体积的方式加到生物磁感应压电传感阵列的每个微腔体8中。
4、由生物磁感应压电传感阵列中的磁感应信号控制器14发出指令信号，控制微磁感应器4工作1-2分钟，使微腔体8内产生磁场，微腔体8内的生物组合体9在磁场作用下接触到微腔体8底部微压电石英共振器6的表面，使微压电石英共振器6的共振频率随其表面生物组合体质量的不同而发生有规律的变化，由信号采集系统2采集与生物组合体质量和数量相关的共振信号并将其转换成相应的电子信息，完成癌细胞的探测。
本发明的实施例中，生物磁感应压电传感阵列由5×5个相同的工作单元构成，微压电石英共振器6的直径为2-5mm，厚度0.1-0.5mm，微压电石英共振器6的上下镶嵌弹性环形密封硅橡胶圈5。微磁感应器4由线圈饶制而成，直径5-20mm。

Claims (1)

1、一种用于探测癌细胞的生物磁感应压电传感阵列，其特征在于由若干个相同的工作单元构成，每个工作单元中，上平台(11)和下平台(13)合成工作单元的主体，上平台(11)内部中央为微腔体(8)，上平台(11)上部开孔用以将微液器(7)插入微腔体(8)，下平台(13)内部设置微磁感应器(4)与磁感应信号控制器(14)相连，微磁感应器(4)上部设置微压电石英共振器(6)，微压电石英共振器(6)的上表面作为微腔体(8)的底部，微压电石英共振器(6)的信号输出连接信号采集系统(2)，输入微泵(3)和输出微泵(12)分别从工作单元主体的两端连接到微腔体(8)。
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