CN100542479C - 用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器 - Google Patents

用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器 Download PDF

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Abstract

用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器是以医用导管为介入材料，结合导管和光纤，把癌症特异性诊断传感器引入人体，直接对肿瘤部位进行拉曼信号检测，实现癌症的在体检测和诊断。该传感器包括：医用导管(11)、发射/接收光栅光纤束(12)、癌症特异性拉曼增强检测平台(15)；其中，发射/接收光栅光纤束(12)位于医用导管(11)内，癌症特异性拉曼增强检测平台(15)放置在医用导管(11)内的楔形聚氨酯基底(14)上，接收光栅光纤束过滤反馈的光散射信号，并且在其头端通过微透镜聚焦拉曼散射信号，增强强度。在体外检测装置中用小型或便携式拉曼光谱仪或者小型光纤光谱仪进行信号采集。

Description

用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器
技术领域
本发明涉及一种用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器，通过检测肿瘤特异性分子的拉曼信号，实现体内实时检测癌症的技术，属于医疗仪器技术领域。
背景技术
癌症是人类健康最大敌人，几乎人体的所有器官都能发生癌症，全球每年约有600万人被癌症夺去生命。我国每年有160万至180万人被确诊为癌症患者，有130万人死于癌症，死亡率仅次于冠心病，居第二位。另一方面，如果能早期发现和诊断，几乎所有癌症都是可以治疗的，因此，癌症的尽早发现和诊断在临床处理中起着重要的作用。
拉曼光谱技术是一种基于光与物质相互作用的特性，利用非弹性拉曼光散射来进行无损伤探测的方法。任何物质都有确定的分子结构，都有确定的分子振动光谱，拉曼散射光谱技术从物质的分子振动光谱来识别和区分不同的物质结构，成为研究物质分子结构的有效手段。在医学上，拉曼光谱可从疾病引起组织、体液、细胞的分子组成的变化，在分子和细胞水平上来诊断疾病。相对其他方法，拉曼光谱用于医学诊断具有非破坏性，非侵入性，不用试剂和高度自动化的优点。现在国内外的针对癌症的拉曼信号研究主要基于一定数量癌变的和正常的器官组织的拉曼光谱的对比研究，从二者的拉曼特征光谱差异能找出反映癌变的特征标志光谱。对于拉曼光谱用于癌症诊断的研究报道目前还不太多，主要还限于乳腺癌、皮肤癌等外部的癌变的研究。
拉曼散射效应是个非常弱的过程，其光强一般仅约为入射光强的10-9～10-8，所以要对拉曼光谱进行研究几乎都要用到某种增强效应。目前采用的增强方法主要有共振拉曼散射方法和表面增强拉曼散射(SERS)方法，SERS增强因子可达103～107。近几年来，表面增强拉曼散射方法由于其探测灵敏度高、分辨率高、水干扰小、稳定性好及适合于界面研究等优点，己被广泛应用于表面研究、吸附物界面表面状态的研究、生物大分子的界面取向及构型、构象的研究和结构的分析等。已发现能产生SERS的金属有Ag，Au，Cu和Pt等少数金属，以Ag的增强效应为最佳，最为常用，金次之。金/银胶体可以实现液相拉曼增强，在固体表面沉积或者修饰金/银可以实现固相表面拉曼增强，如表面具有规则微纳结构，则将会有更好的增强效果。利用表面增强拉曼散射，可以实现体内循环系统中肿瘤特异性标志物的拉曼增强检测，相对于癌变组织的检测，肿瘤特异性标志物有更好的特异性、准确性和在体可操作性。目前美国的大学研究人员通过单克隆抗体修饰的纳米金颗粒增强拉曼信号，实现了在小动物体内的体表浅肿瘤的检测，但是对于体表深度大于1-2cm的肿瘤的在体检测还无法实现。
光纤技术应用于远距离传输和放大光学信号使得拉曼散射直接用在体内临床诊断疾病成为可能。光纤在医学和生物学中得到了广泛的应用，从光管道和压力传感器到复杂的化学传感器都与光纤有关，相干光纤束可用于内窥镜成像，而单光纤可用于近红外分层成像和光学相干分层成像。采用光纤还能方便地将光辐射传输到组织内，以激活靶标化学治疗药物。利用光纤光导将光波传输到测定部位的化学传感技术可以进行光度和荧光分析。把医用导管和光纤相结合，利用光纤把激光信号传入导管上的生物特异检测平台上，再接收反馈的拉曼增强散射信号，进行拉曼光谱分析，就可以实时检测体内的特定物质。
反馈的光散射信号中含有瑞利散射和拉曼散射，拉曼散射的强度比瑞利散射要弱得多，拉曼光谱强度大约只有瑞利线的千分之一。所以为了检测拉曼光谱，需要对瑞利散射信号进行分离。光纤光栅是基于光纤的光敏特性制成的一类重要的光纤型器件，它在在线光滤波、光耦合、光放大和信号检测等功能的实现中发挥了重要作用。所谓光纤的光敏特性是指在紫外光照射下，光纤的折射率随光强发生变化的特性。采用光栅光纤可以实现反馈光散射信号中的瑞利散射过滤。
为了得到更好的激光激发效果，使用弥散光纤作为激光输入光纤。弥散光纤由石英芯纤维和医用高分子包层构成，包层中加入一定比例的弥散剂。当石英芯纤维中的传输光在芯包界面发生全反射时，进入包层的光遇到弥散剂将改变传输方向，致使一部分光从光纤包层中泄漏出来，使得不仅仅是光纤头端，同时光纤侧端也可以发出激光信号，增大激光激发范围。
以医用导管为介入材料，结合导管和光纤，把癌症特异性诊断传感器引入人体，直接对肿瘤部位进行拉曼信号检测可以很好的解决激光和拉曼信号无法穿透深层体表的问题，真正实现在体检测。采用近红外激发，大部分人体组织很小或没有荧光发射，并且光有更大的渗透深度。传感部分采用纳米银和特殊的纳米级图案化结构进行表面增强拉曼散射处理，可以使信号增强几个量级。
发明内容：
技术问题：本发明目的在于提供一种用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器。以医用导管为介入材料，结合导管和光纤，把癌症特异性诊断传感器引入人体，直接对肿瘤部位进行拉曼信号检测，实现癌症的在体检测和诊断。
技术方案：本发明所述的用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器，通过检测肿瘤特异性分子的拉曼信号，实现实时在线检测癌症。此方法可以很好的解决激光和拉曼信号无法穿透深层体表的问题。用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器的核心部件为含有癌症特异拉曼增强传感平台以及发射/接收光栅光纤束的导管。传感检测平台采用纳米银和纳米级图案化结构进行表面增强拉曼散射处理，可以使信号增强几个量级。接收光栅光纤束过滤反馈的光散射信号，并且在其头端通过微透镜聚焦拉曼散射信号，增强强度。在体外检测装置中用小型或便携式拉曼光谱仪或者小型光纤光谱仪进行信号采集。
用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器包括：医用导管、发射/接收光栅光纤束、癌症特异性拉曼增强检测平台；其中，发射/接收光栅光纤束位于医用导管内，发射/接收光栅光纤束的中接收光纤的头端附近的内部刻有光栅结构，发射/接收光栅光纤束的头端装有微透镜；楔形聚氨酯基底为于医用导管内壁上，癌症特异性拉曼增强检测平台结合在楔形聚氨酯基底上，在癌症特异性拉曼增强检测平台上修饰有可以与血清中的肿瘤标志物发生特异性结合肿瘤特异性抗体。
癌症特异性拉曼增强检测平台为多孔锌基底，具有纳米级图案化结构的表面，为规则50-500nm直径的孔洞结构。
癌症特异性拉曼增强检测平台具有纳米银表面修饰，纳米银颗粒大小为20-300nm。
癌症特异性拉曼增强检测平台的表面含有肿瘤特异性抗体为甲胎蛋白抗体、癌胚抗原抗体或其它肿瘤标志物抗体。
发射/接收光栅光纤束的中的光栅结构为布拉格光栅滤波器，可对633nm或者785nm的入射光进行滤波。
发射/接收光栅光纤束由6根弥散光纤和一根多模光栅光纤组成，以多模光栅光纤为核心，6根弥散光纤围绕在其周围排列。
发射/接收光栅光纤束外有高分子包层，该包层根据其位于人体内/外有所不同；其中位于人体内部的包层为医用高分子保护层，位于人体外部的包层为邵氏硬度较高的医用聚合物材料。
发射/接收光栅光纤束中的多模光栅光纤纤芯直径30-200um，外包一层医用高分子保护层。
发射/接收光栅光纤束中的弥散光纤纤芯直径30-200um，光纤外有保护包层，外径为50-320um；弥散光纤其特征为前端弥散，前端弥散区的弥散范围为光纤头端开始5-15cm内。
医用导管采用聚氨酯或者聚四氟乙烯或者其他医用导管，此导管的横截面为半月形、同心圆形或者多孔形。
本发明提供的针对癌症检测的拉曼表面增强光纤导管传感器，在体外和放大器和激光光源连接。通过激光激发，在前端体内采集人体环境中的癌症信息，再通过放大器把此信号放大，传导到小型/便携式拉曼光谱仪或者光纤光谱仪，通过Pocket-PC或PC机显示光谱图，可实现在体癌症信号的实时检测。
放大器选择为半导体激光放大器或者掺铒激光放大器或者拉曼光纤放大器。通过前置放大，在信号进入光谱仪之前可以得到有益增强，提高检测灵敏度。
当小型光纤光谱仪接受信号时，须同时配置激光激发光源。激光激发光源采用红外/近红外激光光源，因为血液的透光窗口是在红外范围内，大部分人体组织很小或没有荧光发射，并且光有更大的渗透深度，所以选择波长为633nm或者785nm。波长越长，频率越小，信号也越弱，所以选择此波长，范围适中，信号强度也可以到达检测要求。激光光源的功率为30mW-500mW。此小型光纤光谱仪的扫描范围为200-1100nm。同时在光纤体外部分需采用光纤分支器进行入射光纤和接收光纤的分支。
当小型/便携式拉曼光谱仪接受信号时，不需另外配置激光光源。拉曼光谱仪自带光源，激发波长785nm或者633nm可选，功率30mW-500mW可调，扫描范围为400-2500cm-1。
光纤光谱仪或拉曼光谱仪所得到的拉曼光谱可连接Pocket PC或PC机，进行光谱分析，确定是否有癌症信号。
有益效果：本发明的优点在于：
1.通过肿瘤特异性标记物和传感器反应，可以实现癌症的诊断和定位。
2.通过医用导管和传感器结合，可以通过微创介入实现体内实时检测。这种检测方法同传统的外周血化验相比，检测部位更接近病灶，灵敏度更高。同时医用导管依然可以行使输液、造影、引流等功能。
3.通过利用光纤传导光信号进行检测，不受外界电场或者磁场的干扰，信号稳定传输可靠。同时对人体不会有辐射、刺激等副作用。
4.采用弥散光纤进行入射激光信号传导，可以在检测部位得到更大的激发面积，实现有效激发。
5.采用光栅光纤对反馈拉曼信号进行窄带过滤，可以实现反馈信号中的瑞利散射的过滤，排除干扰。
6.通过光纤光谱仪或者拉曼光谱仪，得到具有指纹特征识别的拉曼特异性信号，信号信息量大、准确。
7.通过纳米银增强传感器表面，可以实现表面增强拉曼散射，使拉曼信号得到几个量级的放大。
8.通过传感器基底的表面纳米级图案化处理，使得表面具有纳米级别的孔洞结构，可以进一步实现表面增强拉曼散射，使拉曼信号得到放大。
9.通过在传感器表面修饰肿瘤特异性抗体，可以实现对癌症具有针对性的检测。
10.采用小型光纤光谱仪或者小型/便携式拉曼光谱仪，整个检测装置也具有小型化的特点，可实现多种条件和环境下的检测。
附图说明
图1用于癌症检测的拉曼表面增强光纤导管传感器在体内结构示意图；
图2肿瘤特异性拉曼表面增强检测平台示意图；
图3图1所示沿A切面的光纤束横截面示意图；
图4图3所示光纤束侧视图；
图5包含图1所示导管光纤传感器的拉曼检测系统1示意图；
图6包含图1所示导管光纤传感器的拉曼检测系统11示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明提供的一种用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器进行详细说明。
本发明提供一种针对癌症检测的拉曼表面增强光纤导管传感器，包括：医用导管，发射/接收光栅光纤束，癌症特异性拉曼增强检测平台。通过此反应平台和人体环境直接接触，可以实时结合出肿瘤特异性标记物，同时可以利用纳米银和纳米图案化表面实现此拉曼信号的增强，进而进一步传输癌症信息。
医用导管采用聚氨酯导管或者聚四氟乙烯或者其他医用导管，其中聚氨酯广泛应用于临床介入治疗，具有良好的生物相容性和优越的机械性能，可通过静脉或尿道等进入人体。把光纤束和介入导管结合，可以实现体内光学信号的采集。此导管的横截面为半月形腔体、同心圆形或者多孔形。
发射/接收光栅光纤束由6根弥散光纤和一根多模光栅光纤组成，其中多模光栅光纤作为接收光纤，以此为核心6根弥散光纤围绕在其周围排列，此光纤束的体内部分外包一层医用高分子保护层，体外部分的包层采用邵氏硬度较高的医用聚合物材料，因为在体外不需要具有很好的柔韧性，而需要具有抗折和更高的防护要求。
发射/接收光栅光纤束中的弥散光纤的纤芯直径为30-200um，每根光纤外有保护包层，外径为50-320um，此弥散光纤为前端弥散，弥散范围为光纤头端开始5-15cm。作为接收光纤的多模光栅光纤纤芯直径30-200um，光纤外有保护包层，外径为50-320um。接收光栅光纤束内的特殊光栅结构可以作为窄带滤波镜，把反馈的光散射信号进行过滤，除去瑞利散射信号，留下拉曼散射信号，并且在其头端有微透镜进行聚焦，增强信号强度。
癌症特异性拉曼增强检测平台为以楔行聚氨酯为基底，在其斜面上固定一个多孔锌反应平台，此多孔锌固相基底含有规则纳米级的孔洞结构，同时表面含有纳米银的规则分布，可以实现很好的拉曼增强。此孔洞结构大小为50-500nm，纳米银的大小为20-300nm。同时此检测平台还含有肿瘤特异性抗体，用以检测肿瘤特异性标记物，实现癌症的诊断和定位。
用于癌症检测的拉曼表面增强光纤导管传感器在体内结构参见图1：此结构包括医用导管11，发射/接收光栅光纤束12，癌症特异性拉曼增强检测平台15。如图所示，发射/接收光栅光纤束12结合于医用导管11的内部，此发射/接收光栅光纤束12含有中心一根接收光栅光纤30，其周围包围6根弥散发射光纤31，接收光栅光纤束内刻有特殊光栅结构18作为窄带滤波镜，并且在其头端有微透镜17进行聚焦，增强信号强度。光纤束12的外面还含有医用高分子材料包层32，该医用导管11一般采用医用聚氨酯导管，该导管的横截面为半月形腔体、同心圆形或者多孔形。在医用导管11的内腔末端，含有医用聚合物聚氨酯的楔形平台14，在平台14的表面是多孔锌反应平台15，其表面含有纳米银22、图案化纳米结构20和特异性肿瘤抗体21，组成了癌症特异性拉曼增强检测平台15。整个光纤导管传感器通过微创介入手术进入人体管腔，体液或者血液中的肿瘤标记物16可以和癌症特异性拉曼增强检测平台15结合。当肿瘤标记物16和癌症特异性拉曼增强检测平台15的结合发生，通过发射/接收光栅光纤束12中的弥散光纤31发射激光，激发结合的肿瘤标记物16。该肿瘤标记物16受激发后会发射出特异的拉曼信号，通过癌症特异性拉曼增强检测平台15上含有的纳米银22、图案化纳米结构20，此拉曼信号可以得到几个数量级的增强。再通过发射/接收光栅光纤束12中的接受光栅光纤30，把此增强信号传递到体外的检测装置，进行拉曼光谱分析。通过此反应平台15和人体环境直接接触，可以实时检测出肿瘤特异性标记物16，同时可以利用特殊表面15实现此拉曼信号的增强，进而进一步传输癌症信息。
图1中的核心检测部件——癌症特异性拉曼增强检测平台15的具体构造在图2中示意。在聚氨酯楔形基底14的表面，固定多孔锌基底，其表面含有纳米级的图案化孔洞20。通过表面沉积或者化学修饰上纳米银颗粒22，和纳米级图案化孔洞20共同达成表面增强拉曼散射作用，使检测信号放大几个数量级。同时在此基础上进一步通过纳米银22可以和巯基及氨基较强的结合力这一点，修饰上肿瘤特异性抗体21。此抗体可以和人体内环境中的肿瘤标记物16特异性结合，使其在激光激发下可以发出拉曼散射信号并被增强后检测到。
图1中的发射/接收光栅光纤束12的横截面A的示意图参见图3。该光纤束12由中心一根多模光栅光纤30和周围6根弥散光纤31组成。其中多模光栅光纤30作为接收光纤，以此为核心6根弥散光纤31围绕在其周围排列，此光纤束外包一层医用高分子保护层32。其中弥散光纤31的纤芯直径为30-200um，每根光纤外有保护包层311，外径为50-320um，作为接收光纤的多模光栅光纤30纤芯直径30-200um，光纤外有保护包层311，外径为50-320um。接收光栅光纤束内的特殊光栅结构18可以作为窄带滤波镜，把反馈的光散射信号进行过滤，除去瑞利散射信号，留下拉曼散射信号，并且在其头端有微透镜17进行聚焦，增强信号强度。
图4为此光纤束12的侧视图，标出了光路的进出路径示意图。其中弥散光纤31为前端弥散，前端弥散区41的弥散范围为光纤头端开始5-15cm。可以实现激光信号从头端一定范围开始散射出去，激发癌症特异性拉曼增强检测平台15的信号。接受光栅光纤30的前端含有微透镜17，对散射信号进行增强。
包括上述光纤导管传感器的拉曼检测系统由图5、6示意，包括：上述针对癌症检测的拉曼表面增强光纤导管传感器，放大器53，小型/便携式拉曼光谱仪61或者激光激发光源51和小型光纤光谱仪52，以及Pocket-PC或PC机54。其中根据采取检测信号的仪器不同分为导管光纤传感器的拉曼检测系统1和检测系统11。图5显示了以激光激发光源51和小型光纤光谱仪52为检测仪器的系统1。激光激发光源51通过入射光纤56，再通过光纤分支器55进入体内光纤束12，把激光传导到检测平台14。再通过光纤束12接收拉曼散射信号，通过光纤分支器55分出接收光纤57。此时信号经过放大器53的放大，进入小型光纤光谱仪52，在通过Pocket-PC或PC机54呈现拉曼光谱图进行分析。其中激光激发光源51采用红外/近红外激光光源，因为血液的透光窗口是在红外范围内，大部分人体组织很小或没有荧光发射，并且光有更大的渗透深度，所以选择波长为633nm或者785nm，此例选择785nm波长，激光光源的功率为50mW。其中的光纤束在体外部分56、57的包层采用邵氏硬度较高的医用聚合物材料，因为在体外不需要具有很好的柔韧性，而需要具有抗折和更高的防护要求。放大器53选择为半导体激光放大器或者掺铒激光放大器或者拉曼光纤放大器，此例选择掺铒激光放大器。通过前置放大，在信号进入光谱仪之前可以得到有益增强，提高检测灵敏度。此小型光纤光谱仪52的扫描范围为400-2500cm-1。同时在光纤体外部分需采用光纤分支器55进行入射光纤和接收光纤的分支。
图6显示了当系统采取小型/便携式拉曼光谱仪时的导管光纤传感器的拉曼检测系统11，此时不需另外配置激光光源。拉曼光谱仪61自带光源，激发波长785nm或者633nm可选，此例选择785nm波长，功率30mW-500mW可调，扫描范围为400-2500cm-1。此时的光纤束体外部分64不需进行光纤分支，外包层同样选择邵氏硬度较高的医用聚合物材料。
光纤光谱仪52或拉曼光谱仪61所得到的拉曼光谱可连接Pocket-PC或PC机54，进行光谱分析，确定是否含有癌症信号。

Claims (9)

1.一种用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器，其特征在于该传感器包括：医用导管(11)、发射/接收光栅光纤束(12)、癌症特异性拉曼增强检测平台(15)；其中，发射/接收光栅光纤束(12)位于医用导管(11)内，发射/接收光栅光纤束(12)中的接收光纤的头端附近的内部刻有光栅结构(18)，发射/接收光栅光纤束(12)的头端装有微透镜(17)；楔形聚氨酯基底(14)位于医用导管(11)内壁上，癌症特异性拉曼增强检测平台(15)结合在楔形聚氨酯基底(14)上，在癌症特异性拉曼增强检测平台(15)上修饰有可以与血清中的肿瘤标志物(16)发生特异性结合的肿瘤特异性抗体(21)。
2.根据权利要求1所述的用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器，其特征在于癌症特异性拉曼增强检测平台(15)为多孔锌基底，癌症特异性拉曼增强检测平台(15)具有纳米级图案化结构(20)的表面，且为规则的50-500nm直径的孔洞结构。
3.根据权利要求2所述的用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器，其特征在于癌症特异性拉曼增强检测平台(15)具有纳米银表面修饰(22)，纳米银颗粒大小为20-300nm。
4.根据权利要求2所述的用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器，其特征在于癌症特异性拉曼增强检测平台(15)的表面含有的肿瘤特异性抗体(21)为甲胎蛋白抗体或癌胚抗原抗体。
5.根据权利要求1所述的用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器，其特征在于发射/接收光栅光纤束(12)中的光栅结构(18)为布拉格光栅滤波器，可对633nm或者785nm的入射光进行滤波。
6.根据权利要求1所述的用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器，其特征在于发射/接收光栅光纤束(12)由6根弥散光纤(31)和一根多模光栅光纤(30)组成，以多模光栅光纤(30)为核心，6根弥散光纤(31)围绕在其周围排列。
7.根据权利要求6所述的用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器，其特征在于发射/接收光栅光纤束(12)中的多模光栅光纤(30)纤芯直径30-200um，多模光栅光纤(30)外包一层医用高分子保护层(311)。
8.根据权利要求6所述用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器，其特征在于发射/接收光栅光纤束(12)中的弥散光纤(31)纤芯直径30-200um，每根弥散光纤(31)外有保护包层(311)，弥散光纤(31)的外径为50-320um；弥散光纤(31)为前端弥散，前端弥散区(41)的弥散范围为光纤头端开始5-15cm内。
9.根据权利要求1所述的用于癌症诊断的拉曼表面增强光纤导管传感器，其特征在于医用导管(11)采用聚氨酯或者聚四氟乙烯医用导管，此导管的横截面为半月形、同心圆形或者多孔形。
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