CN101634629A

CN101634629A - 一种基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法

Info

Publication number: CN101634629A
Application number: CN200910164277A
Authority: CN
Inventors: 龚元; 饶云江; 郭宇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2010-01-27

Abstract

本发明公开了一种基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法，包括以下步骤：①设置采样区；②捕获待测细胞；③测量光谱；④拉伸待测细胞；⑤测量条纹漂移量。该方法根据癌细胞和正常细胞的弹性模量不同，通过测量细胞被拉伸后产生的光程变化来区分癌细胞和正常细胞。由于引入了光纤干涉传感技术，该方法与传统的显微成像方法相比，具有测量精度高，集成性好等优点。

Description

一种基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法

技术领域

本发明涉及癌细胞检测技术领域，具体涉及一种基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法。

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。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。而且目前的方法很难检测出治疗后的残余癌细胞。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，操作过程比较复杂。抗体和流式细胞仪均非常昂贵。

2007年Cross等人通过原子力显微镜(AFM)发现癌细胞的表面弹性比正常细胞柔软70％，详见Nature Nanotechnology，2(12)，780-783(2007)。他们利用该方法证实肺癌、乳癌、胰腺癌、肝癌等多种细胞癌变后变得柔软的多。正常细胞发生癌变后，形状和内部结构会随之发生改变，癌细胞因此变得更软。因此可以通过检测细胞弹性或细胞形变来检测癌细胞。

Guck等人曾提出一种光纤双光束光镊(即Optical Stretcher)，采用两束相对传输的、略微发散的激光束形成光阱，用于捕获并拉伸单个活细胞，详见Phys.Rev.Lett.84(23)，5451-5454(2000)。光纤双光束光镊与传统的单光束光镊相比，有两个优点。第一，由于激光束略微发散，作用于细胞的能量密度不高，减小了对活细胞的破坏。第二，双光束光镊可以方便的拉伸细胞，避免了单光束光镊中在细胞表面固定微珠的步骤。然而，Guck等人采用显微成像方法检测细胞的尺寸和形变，测量精度有限。在确定细胞尺寸的过程中，细胞与缓冲液的边界比较模糊，致使测量精度受到一定限制。采用显微成像方法研究尺寸较小的细胞时，精确测量细胞的形变存在难度。而光纤干涉传感技术可以高精度的检测细胞形变引起的光程差，即：当细胞被双光束光镊拉伸后产生形变，细胞沿光轴方向的光程差会发生变化，从而引起干涉仪输出光谱的条纹移动。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种基于光学拉伸和光纤传感技术的癌细胞检测方法，该方法根据癌细胞和正常细胞的弹性模量不同，通过测量细胞被拉伸后产生的光程变化来区分癌细胞和正常细胞。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法，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并形成光纤光镊，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，通过光纤双光束光镊将细胞捕获，此时光纤光镊的激光器的功率P₀较小，细胞的形变忽略；

③测量光谱：功率为P₀时采用光纤干涉传感技术测量反射光谱或透射光谱的干涉条纹；

④拉伸待测细胞：增加光纤光镊的激光器的功率至P_i，使细胞在光轴方向被拉伸；

⑤测量条纹漂移量：在激光功率为P_i时重复步骤③，并计算出某一级干涉条纹的漂移量，根据条纹漂移量的大小来判断待测细胞是否为癌细胞。

按照本发明所提供的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法，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。

按照本发明所提供的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法，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。

本发明提出一种基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法，采用光纤双光束光镊捕获并沿光轴方向拉伸细胞，同时采用集成的光纤珐珀干涉仪或光纤Mach-Zehnder干涉仪检测细胞被拉伸后的光程差。由于癌细胞的弹性模量普遍比同类的正常细胞小，当使用相同的激光功率拉伸细胞时，癌细胞的形变比正常细胞大，光程差的变化量也更大。因此，当细胞被拉伸时，光纤珐珀干涉仪或光纤Mach-Zehnder干涉仪的干涉条纹会发生漂移。激光功率越大，细胞被拉伸的形变越大，干涉条纹漂移量也越大。由于引入了光纤干涉传感技术，该方法与传统的显微成像方法相比，具有测量精度高，集成性好等优点。

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是实施例一的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法的透射式装置原理图；

图3是实施例一的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法的反射式装置原理图。

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：

图1是集成的微流通道和光纤布拉格光栅珐珀干涉仪。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。

采用光纤双光束光镊捕获和拉伸细胞。光镊光源7采用980nm激光器，也可以采用其他波长的激光器，如1064nm，要求该波长的水吸收较弱，并且激光功率较大，在100mW至2W之间，以便使细胞产生较大形变。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激光在采样区相对传输形成光阱，将细胞捕获。此时光纤光镊激光器的初始功率P₀较小，细胞的形变可以忽略。

细胞被捕获之后，通过光纤干涉传感技术第一次记录干涉条纹谱。然后增加980nm激光器的功率至P_i，使细胞在光轴方向被拉伸。激光功率越大，细胞的拉伸形变也越大，并在一定范围内呈线性。由于细胞折射率略高于缓冲液的折射率，细胞的拉伸形变使得采样区的光程差增加，从而引起干涉条纹漂移。在激光功率P_i时第二次记录干涉条纹谱，计算出两次测量的同一级干涉条纹在激光功率P_i和P₀时对应的波长之差，称之为干涉条纹的漂移量。由于癌细胞的弹性模量比正常细胞小，因此相同激光功率作用于癌细胞时，产生的形变比正常细胞大，癌细胞对应的条纹漂移量与激光功率关系曲线的斜率比正常细胞大。比较拉伸待测细胞的条纹漂移量与相同激光功率拉伸正常细胞的条纹漂移量，可以判定待测细胞是否为癌细胞。

也可以连续改变激光功率P_i，测量一系列的条纹漂移量，得到条纹漂移量与激光功率的关系曲线。根据曲线斜率可以确定待测细胞是否为癌细胞。

上述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3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某一级干涉条纹的波长λ₀。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3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

1、一种基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2、根据权利要求1所述的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法，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所述的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法，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。