CN101603922A - 一种采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法 - Google Patents

一种采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法，包括以下步骤：①设置采样区：在一块玻璃基板上加工两条相互交叉垂直的微槽，一条为待测细胞的悬浮液的采样通道，另一条用来固定光纤，光纤端面之间的采样通道区域为采样区；②捕获待测细胞：通过进样针或注射泵将细胞悬浮液注射进采样通道，使细胞悬浮液中的细胞单个通过采样区，通过光纤光镊将细胞捕获；③测量光程差：将步骤②所捕获的细胞的直径和折射率共同造成的光程差作为一个参量，通过光纤传感技术测量此参量来区分该细胞是否为癌细胞。该方法无需分别测量细胞的直径和折射率，简化了测量步骤，降低了成本，并且测量精度高。

Description

一种采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法
技术领域
本发明涉及一种采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法。
背景技术
癌症对人类健康和生命的威胁很大。全世界每年约有上千万人新患癌症或死于癌症。许多癌症初发时没有病状，一旦发展到中晚期，将错过最佳治疗时期，因此早期诊断、早期治疗尤为重要。
癌症的早期诊断有时是非常困难的事，因此使许多病人错过了最佳的治疗时间。目前肿瘤的检测主要依靠手术和切片，将活体组织从体内取出，放到显微镜下观察，如果发现癌细胞，则确诊为癌症。这种方式的缺点一是病人痛苦比较大，二是费用较高。过去通常利用影像学方法检测癌症，如X光、B超和CT等，还有直接手术或做病变组织穿刺活检等方法，但很难对肿瘤做出早期诊断，且对人体有较大伤害。而且目前的方法对于残余癌细胞的检测也是很无力的。因此，发展无伤害、灵敏精确、低成本的癌细胞检测方法迫在眉睫。
流式细胞术(FCM)采用流式细胞仪对细胞悬液进行快速分析，通过对流动液体中排列成单列的细胞进行逐个检测，得到该细胞的光散射和荧光指标，以此达到分选癌细胞的目的。其检测速度快、测量准确，是目前临床检测某些癌细胞的常用方法。但是流式细胞仪在检测和分选细胞之前需要制备荧光素标记抗体，并且对细胞进行染色，这个过程很复杂。抗体和流式细胞仪的价钱也非常昂贵。
南洋理工大学的Ai-Qun Liu教授提出了分别测量癌细胞的折射率和直径的方法，详见Appl.Phys.Lett.91，243901(2007)；Appl.Phys.Lett.91，223902(2007)；Appl.Phys.Lett.89，203901(2006)。其主要思想是通过改变细胞缓冲液的折射率，构造多个方程，通过多次测量波长漂移量计算出细胞的折射率和直径。这种方法实验装置复杂，测量步骤多，难以实用化。由于来自同一组织的细胞直径(d)和折射率(n)基本一致，对应的癌细胞直径和折射率一般都比正常细胞大，因此，癌细胞的光程(nd)也比正常细胞大。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法，该方法无需分别测量细胞的直径和折射率，通过测量额外光程差来直接区分癌细胞和正常细胞，过程简单合理。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法，其特征在于，包括以下步骤：
①设置采样区：在一块玻璃基板上加工两条相互交叉垂直的微槽，一条为待测细胞的悬浮液的采样通道，另一条用来固定光纤，光纤端面之间的采样通道区域为采样区；
②捕获待测细胞：通过进样针或注射泵将细胞悬浮液注射进采样通道，使细胞悬浮液中的细胞单个通过采样区，通过光纤光镊将细胞捕获；
③测量光程差：将步骤②所捕获的细胞的直径和折射率共同造成的光程差作为一个参量，通过光纤传感技术测量此参量来区分该细胞是否为癌细胞。
按照本发明所提供的采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法，其特征在于，所述光纤传感技术包括光纤珐珀干涉技术和光纤Mach-Zehnder干涉技术，当采用光纤珐珀干涉技术时，通过透射式测量装置测量或者反射式测量装置测量，当采用光纤Mach-Zehnder干涉技术时，采用透射式测量装置测量，其中所述透射式测量装置包括包括激光器、光隔离器、宽谱光源、WDM、分路器和光谱分析仪，激光器的输出光经光隔离器后经分路器分为两路，分别经过WDM耦合进采样区，实现光纤光镊，所述宽谱光源通过另一光隔离器后连接WDM进入采样区，再通过另一WDM耦合进入光谱分析仪；所述反射式测量装置包括激光器、光隔离器、宽谱光源、WDM、分路器、光环行器、光谱分析仪和折射率匹配端，激光器的输出光经光隔离器后经分路器分为两路，分别经过WDM耦合进采样区，实现光纤光镊，所述宽谱光源通过光环形器连接一WDM进入采样区，光谱分析仪连接光环形器。
按照本发明所提供的采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法，其特征在于，光纤珐珀干涉技术的珐珀腔通过两个光纤端面或镀高反射膜的两个光纤端面或两个光纤布拉格光栅或两个光纤啁啾布拉格光栅构成。
所述的光纤干涉传感技术通过宽谱光源和光谱分析仪来检测光纤珐珀干涉仪和光纤Mach-Zehnder干涉仪的干涉条纹谱。
所述的光纤干涉传感技术通过波长扫描型窄谱激光器、光电探测器和数据采集卡来检测光纤珐珀干涉仪和光纤Mach-Zehnder干涉仪的干涉条纹谱。
所述的光纤干涉传感技术包括光纤珐珀干涉技术和光纤Mach-Zehnder干涉技术。
本发明提出采用光纤干涉传感技术测量细胞的光程(nd)，来区分癌细胞和正常细胞，避免了分别测量细胞直径和折射率，大大简化了测量步骤和装置，降低了成本。采用光纤珐珀干涉仪或光纤Mach-Zehnder干涉仪检测细胞的光程信息，由于来自同一组织的细胞直径(d)和折射率(n)基本一致，对应的癌细胞直径和折射率一般都比正常细胞大，因此，癌细胞的光程(nd)也比正常细胞大，检测时，首先测量正常细胞进入干涉腔前后的光谱漂移量，然后测量待测细胞对应的光谱漂移量，通过比较两者的统计分布图来判断所测细胞是否为癌细胞。该方法由于只需测量细胞的一个参量便可以知道细胞的癌变程度，因此无需改变缓冲液的折射率，从而简化了测量步骤，缩短了单个细胞的检测时间，从而有利于提高检测速度，检测时缓冲液至始至终保持折射率n不变，可实现细胞的连续、批量检测。实施该检测方法的检测系统采用的是光纤干涉传感技术，不仅测量精度和灵敏度高，而且响应速度快。
附图说明
图1是实施例一的微流通道和光纤布拉格光栅珐珀干涉仪；
图2是实施例一的光纤珐珀干涉传感技术捕获和检测癌细胞的原理图。
图3是实施例一的干涉腔中有/无细胞时干涉条纹的光谱对比图；
图4是反射式测量装置的原理图。
图中：1为玻璃基底、2和3为玻璃基底上刻蚀的微槽、4和5光纤布拉格光栅、6为单个活细胞、7为980nm激光器、8为980nm光隔离器、9为分路器、10和11为WDM、12为图1所示的部分、13为C波段宽谱光源、14为1550nm光隔离器、15为光谱分析仪、16为光环行器、17为折射率匹配端。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
在一块玻璃基底1上加工两根相互垂直的微槽2、3，微槽2作为细胞悬浮液的采样通道，微槽3用来固定光纤布拉格光栅4、5。光纤端面之间的区域为采样区。通过进样针或注射泵将细胞悬浮液注射进采样微槽，使细胞6单个通过采样区。光镊光源7采用980nm激光器，也可以采用其他波长的激光器，要求该波长的水吸收较弱。光隔离器8避免980nm激光透射过采样区后重新回到激光器，避免对激光器造成损坏。980nm波长的激光通过50:50分路器9均分为两路，再分别通过WDM(10和11)耦合进采样部分12。采样部分12为图1所示的部分。当单个细胞6通过采样区时，980nm激光将细胞捕获。
捕获之后，由光纤干涉传感技术测量采样区有无细胞时的光程差。光纤干涉传感技术可以采用光纤珐珀干涉传感技术、光纤Mach-Zehnder干涉传感技术等。当采用光纤珐珀干涉传感技术时，可以通过图2所示的透射式测量装置实现，也可以通过图4所示的反射式测量装置实现。在高精细度珐珀腔或Mach-Zehnder干涉仪情况下，采用透射式测量装置，在低精细度珐珀腔情况下，采用反射式测量装置。干涉条纹解调通过以下两种方式之一实现：第一，采用宽谱光源和光谱分析仪；第二，采用可调谐激光器、探测器和采集卡。
采用第一种方案时，宽谱光源13经隔离器14后通过WDM耦合进采样区，再通过另一WDM耦合进光谱分析仪15。由光谱分析仪15测量采样区仅有细胞缓冲液时m级干涉条纹的波长λ0。使单个正常细胞流过采样区并被捕获，有正常细胞的干涉条纹漂移Δλ。使正常细胞连续流过采样区并被捕获，测得Δλ的统计分布。然后由光谱分析仪15测量出采样区仅有细胞缓冲液和有待测细胞的干涉条纹漂移Δλ。使待测细胞连续流过采样区并被捕获，测得Δλ的统计分布。若待测细胞为癌细胞，由于癌细胞的折射率和直径都大于正常细胞，Δλ的统计值比Δλ大。与单独采用折射率或者细胞尺寸作为指标来鉴别癌细胞和正常细胞的方法相比，这种方法更容易判别。
也可以采用第二种方案测量干涉条纹的漂移量，即：可调谐激光器、探测器和采集卡的方式测量缓冲液中有无细胞的干涉条纹漂移。
如图4所示，也可以采用反射式测量装置测量干涉条纹漂移量。其中16为光环行器，使得光纤珐珀干涉仪反射回的光进入光谱分析仪15，从而测量干涉条纹的漂移量。

Claims (3)

1、一种采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法，其特征在于，包括以下步骤：
①设置采样区：在一块玻璃基板上加工两条相互交叉垂直的微槽，一条为待测细胞的悬浮液的采样通道，另一条用来固定光纤，光纤端面之间的采样通道区域为采样区；
②捕获待测细胞：通过进样针或注射泵将细胞悬浮液注射进采样通道，使细胞悬浮液中的细胞单个通过采样区，通过光纤光镊将细胞捕获；
③测量光程差：将步骤②所捕获的细胞的直径和折射率共同造成的光程差作为一个参量，通过光纤传感技术测量此参量来区分该细胞是否为癌细胞。
2、根据权利要求1所述的采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法，其特征在于，所述光纤传感技术包括光纤珐珀干涉技术和光纤Mach-Zehnder干涉技术，当采用基于光纤珐珀干涉技术时，通过透射式测量装置测量或者反射式测量装置测量，当采用光纤Mach-Zehnder干涉技术时，采用透射式测量装置测量，其中所述透射式测量装置包括包括激光器、光隔离器、宽谱光源、WDM、分路器和光谱分析仪，激光器的输出光经光隔离器后经分路器分为两路，分别经过WDM耦合进采样区，实现光纤光镊，所述宽谱光源通过另一光隔离器后连接WDM进入采样区，再通过另一WDM耦合进入光谱分析仪；所述反射式测量装置包括激光器、光隔离器、宽谱光源、WDM、分路器、光环行器、光谱分析仪和折射率匹配端，激光器的输出光经光隔离器后经分路器分为两路，分别经过WDM耦合进采样区，实现光纤光镊，所述宽谱光源通过光环形器连接一WDM进入采样区，光谱分析仪连接光环形器。
3、根据权利要求1所述的采用光纤干涉传感技术检测癌细胞的方法，其特征在于，光纤珐珀干涉技术的珐珀腔通过两个光纤端面或镀高反射膜的两个光纤端面或两个光纤布拉格光栅或两个光纤啁啾布拉格光栅构成。
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CN102230934A (zh) * 2011-03-30 2011-11-02 杭州锐光生物技术有限公司 激光镊子及微流控对肿瘤微粒体的检测法及检测器
CN101726483B (zh) * 2009-12-28 2012-02-29 茅涵斌 分子印迹、激光镊子及微流控对化学物的检测法及检测器
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