CN101788477B - 一种具有氧分压和光敏剂荧光监测功能的单态氧检测装置 - Google Patents

Abstract

一种具有氧分压和光敏剂荧光监测功能的单态氧检测装置，属医疗仪器类。该装置由波长可调的脉冲激光器光源、信号同步单元、单态氧近红外发光检测单元、光敏剂荧光信号监测单元、氧分压监测单元和终端计算机处理系统组成，其中荧光信号监测单元、氧分压监测单元、终端计算机处理系统之间通过信号线连接，其他单元之间通过光路连接。采用本装置，不仅优化了激光照射方式，而且提高了光学系统的采集效率和单态氧检测装置的信噪比。利用高灵敏度的近红外光电倍增管直接测量单态氧近红外发光，并同时对样品中的氧分压和光敏剂荧光信号进行实时监测，三者结合起来后可以对PDT疗效进行综合评估。

Description

一种具有氧分压和光敏剂荧光监测功能的单态氧检测装置

技术领域

本发明涉及光动力学疗法(Photodynamic Therapy，PDT)中的一种单态氧(Singlet oxygen，¹O₂)检测装置，具体说是通过直接检测PDT中¹O₂近红外发光，并同时对样品中的氧分压和光敏剂荧光信号进行实时监测，三者结合起来后可以对PDT疗效进行综合评估，属激光医学治疗仪器类。

背景技术

PDT是一种联合利用光、光敏剂和氧分子，通过光动力学反应选择性地治疗肿瘤，年龄相关性黄斑变性和鲜红斑痣等良性疾病的新疗法，它与手术、化疗和放疗等肿瘤治疗手段相比，具有双重性选择的独特优点：首先，病变组织能够选择性地潴留光敏剂；其次，只有在特定波长光的辐照下，潴留在组织中的光敏剂才能和组织中的氧分子发生生化反应产生对细胞具有毒性的活性氧，其中¹O₂被认为是II型PDT的主要毒性物质。随着PDT基础研究的不断深入和临床应用的广泛开展，如何精确、有效地计算，并实时调整治疗过程中的剂量已成为临床应用亟待解决的挑战性课题。目前，PDT剂量评估方法主要包括以下四种方法：显式剂量法、隐式剂量法、组织体对PDT的响应检测和直接剂量法。其中，直接剂量法通过直接测量具有细胞毒性的¹O₂，特别是通过测量¹O₂近红外发光开展PDT剂量学的研究已成为国际前沿研究热点。这种方法的最大优点在于可以克服现有其它剂量学方法中的光、光敏剂、氧分子，以及组织体光学特性等主要因素之间的复杂影响关系，将PDT的疗效与¹O₂的总量直接联系起来。

目前，加拿大的Wilson教授等研究小组构建了近红外光检测系统，通过直接检测¹O₂在1270nm的辐射发光开展PDT-¹O₂剂量学研究。这些¹O₂检测系统虽然有所不同，但是主体的构成是基本相同的，都是利用脉冲激光器对样品进行照射，然后通过光学收集系统或者利用光纤对样品受到激发后的信号进行收集，利用高灵敏度的近红外光电探测器件直接测量所收集到¹O₂的辐射发光，并通过前置放大器之后进入计数板卡进行计数。由于在生物环境中¹O₂的发光极其微弱，寿命极其短暂，且受到光电探测器件在近红外波段响应灵敏度的限制，现有¹O₂检测系统的信噪比还无法满足PDT临床应用的要求。因此，就¹O₂寿命而言，虽然有关¹O₂寿命的研究结果层出不穷，但是至今还没有得到令人信服的可靠结果。此外，在PDT过程中，¹O₂还可能会部分地参与光敏剂的光漂白过程，从而影响光敏剂的漂白速率。与此同时，待测样品中的氧分压又直接决定着PDT过程中的¹O₂产量。然而，在现有的¹O₂检测系统中，都仅有检测¹O₂近红外发光的功能，并没有对样品中的氧分压和光敏剂荧光进行同时监测。

发明内容

本装置针对现有¹O₂检测系统中存在的不足，利用高灵敏度的近红外光电倍增管直接测量¹O₂近红外发光，并同时对样品中的氧分压和光敏剂荧光信号进行实时监测。通过优化激光照射方式和光学收集系统，提高了¹O₂检测装置的信噪比，对PDT疗效进行综合评估。

实现上述目的的技术解决方案如下：具有氧分压和光敏剂荧光监测功能的¹O₂检测装置由脉冲激光器光源、信号同步单元、¹O₂近红外发光检测单元、荧光信号监测单元、样品氧分压的监测单元和终端计算机处理系统组成，其中信号同步单元、单态氧近红外发光检测单元、光敏剂荧光信号监测单元、氧分压的监测单元分别与终端计算机处理系统之间通过信号线连接，激光器光源分别与信号同步单元、单态氧近红外发光检测单元之间通过光路连接。

所述的信号同步单元由分光镜、光电二极管组成，脉冲激光器发出的激光，经过分光镜后，通过光电二极管产生计数板卡同步触发信号，进入终端计算机处理系统，构成信号同步单元。

所述的¹O₂近红外发光检测单元由窄带滤波片P2、平面反光镜、微透镜阵列、矩形导光管、石英比色皿、长波通滤波片、光学收集系统、滤光轮、近红外光电倍增管、前置放大器、计数板卡和基于LabVIEW的系统数据采集与处理软件组成。脉冲激光器发出的激光，经过分光镜分路后，依次通过窄带滤波片P2、平面反光镜，到达微透镜阵列、矩形导光管与石英比色皿，经微透镜阵列和矩形导光管整形、扩束，形成与石英比色皿截面相同形状的激光光束，而且照度均匀，从石英比色皿的底部正入射，使整个样品被激光均匀辐照，产生光敏剂荧光信号和¹O₂、近红外发光信号。其中¹O₂近红外发光信号经长波通滤波片、光学收集系统、滤光轮、近红外光电倍增管、前置放大器、计数板卡，进入终端计算机处理系统，构成¹O₂近红外发光检测单元。在滤光轮上安放了5个窄带滤光片，中心波长为1270nm的滤波片，其带宽为80nm，即(1270±40)nm，这样就能有效的提取¹O₂在1270nm附近的发光信号。同时，中心波长为1190，1230，1310和1350nm的滤波片，其带宽为20nm，用于提取系统的背景信号。

所述的光敏剂荧光信号监测单元由窄带滤波片P1、耦合透镜、光纤和微型光纤光谱仪组成，光敏剂荧光信号经窄带滤波片P1、耦合透镜、光纤和微型光纤光谱仪，进入终端计算机处理系统，构成光敏剂荧光信号监测单元。

所述的样品氧分压的监测单元由置于石英比色皿内的氧分压探针、氧分压监控器组成，氧分压探针获得的信号，经氧分压监控器处理后，进入终端计算机处理系统，构成样品氧分压的监测单元。

所述的激光器光源由可调谐的脉冲激光器提供，脉冲激光器可以调节从210nm到2200nm的输出激光波长，以最大限度地匹配不同光敏剂的最佳吸收波长，进而可以提高¹O₂产量。

所述的微透镜阵列和矩形导光管位于平面反光镜和石英比色皿之间，脉冲激光束经微透镜阵列和矩形导光管后形成准直均匀的扩束光斑。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明所述的具体结构原理图。

图2是本发明的具体结构图。

图3是本发明实施例中采用玫瑰红测出的¹O₂近红外发光时间分辨光谱。

图4是本发明实施例中采用玫瑰红测出的¹O₂近红外发光光谱。

图1中，A为激光器光源，B为¹O₂近红外发光检测单元，C为荧光信号监控单元，D为终端计算机处理系统，E为氧分压的监控单元，F为信号同步单元。荧光信号监控单元C、氧分压的监控单元E和终端计算机处理系统D之间通过信号线连接，其他单元之间通过光路连接。

图中2中，1为光电倍增管高压电源，2为近红外光电倍增管，3为前置放大器，4为计数板卡，5为USB接口，6为计算机，7为微型光纤光谱仪，8为光纤，9为滤光轮，10为长波通滤波片，11为光学收集系统，12为光电二极管，13为氧分压监控器，14为耦合透镜，15为窄带滤波片P1，16为氧分压探针，17为石英比色皿，18为平面反射镜，19为微透镜阵列，20为矩形导光管，21为窄带滤波片P2，22为分光镜，23为脉冲激光器。

图3中，横坐标表示时间(单位为微秒)，纵坐标表示¹O₂近红外发光的光子数。

图4中，横坐标表示波长(单位为纳米)，纵坐标表示累计¹O₂近红外发光光子数。

具体实施方式

如图2所示，具有氧分压和光敏剂荧光监测功能的¹O₂检测装置中激光器光源采用的是可调谐的脉冲激光器〔23〕(PIV OPO 355，OPOTEK，USA)，可以调节脉冲激光器〔23〕的输出激光波长，其波长可以从210nm变化至2200nm。通过调节可调谐脉冲激光器〔23〕的输出波长以最大限度地匹配PDT所用光敏剂的最佳吸收波长。激光器〔23〕输出的光束，通过分光镜〔22〕，一路激光进入光电二极管〔12〕(PDM-400，Becker and Hickl GmbH，German)，光信号转化为电信号作为计数板卡〔4〕(MSA300，Becker and Hickl GmbH，German)的同步触发信号；另一路激光通过平面反射镜〔18〕反射之后，改变光路，经过微透镜阵列〔19〕和矩形导光管〔20〕的整型，从石英比色皿〔17〕底部均匀正入射，使石英比色皿中的样品得到均匀辐照，然后激光束从石英比色皿顶部输出。待测样品(光敏剂溶液或者经过光敏剂孵育的细胞悬浮液)经激光照射后，光敏剂和样品中的氧分子经过一系列的光物理和光化学反应，产生¹O₂近红外发光信号和光敏剂荧光信号。其中一路信号进入¹O₂近红外发光检测单元中的长波通滤波片〔10〕，即信号通过长波通滤波片〔10〕后被光学系统〔11〕最大限度收集，再经过滤光轮〔9〕(FW102B，Thorlabs，UK)上的窄带滤波片对相应波段的¹O₂近红外发光信号进行提取。滤光轮〔9〕上安放了5个窄带滤光片，中心波长为1270nm的滤波片，其带宽为80nm，即(1270±40)nm，这样就能有效的提取¹O₂在1270nm附近的发光信号，中心波长为1190，1230，1310和1350nm的滤波片，其带宽为20nm，用于提取系统的背景信号，不同滤光片提取的信号最后进入光电倍增管〔2〕(H10330-45，Hamamanstu，Japan)再经前置放大器〔3〕(HFAC-26，Becker and Hickl GmbH，German)放大之后，进入计数板卡〔4〕进行同步计数，该路信号与光电二极管〔12〕的触发信号同步，其中滤光轮〔9〕通过USB线与电脑相连，由基于LabVIEW的系统数据采集和处理软件对计数板卡〔4〕和滤光轮〔9〕进行同步控制。另一路信号进入光敏剂荧光信号监测单元，即信号通过窄带滤波片P1〔15〕后经耦合透镜〔14〕耦合入光纤〔8〕，信号通过光纤传输后进入微型光纤光谱仪〔7〕(USB4000 Fiber Optic Spectrometer，OceanOptics，USA)，光谱仪通过USB接线连入终端计算机处理系统，由计算机上的软件对信号进行记录。在检测¹O₂近红外发光信号和光敏剂荧光信号的同时，将氧分压探针〔16〕(OxyLite^TM，Oxford Optronix Ltd，UK)放入石英比色皿〔17〕中对样品的氧分压进行实时监测，由氧分压监控器〔13〕(OxyLite^TM，Oxford Optronix Ltd，UK)对探针〔16〕的探测信号进行实时分析之后，信息送入电脑，通过软件进行实时显示。

利用本装置测量了光敏剂玫瑰红(Rose Bengal)在水溶液中的¹O₂近红外发光光谱。首先配制浓度分别为2μmol/L、4μmol/L、6μmol/L、8μmol/L的玫瑰红水溶液，脉冲激光器〔23〕处于常开状态，出射光分成两路，将配制好的样品溶液放入石英比色皿〔17〕中，在激发光照射下(25mW/cm²)，启动基于LabVIEW的系统数据采集和处理软件对计数板卡〔4〕和滤光轮〔9〕进行同步控制，计数板卡接收到信号同步部分的光电二极管〔12〕同步触发信号后，开始同步计数。图3为8μmol/L玫瑰红水溶液在523nm激光激发下，经过滤光轮〔9〕上5个不同滤光片提取所检测到的近红外发光时间分辨光谱信号，从图中可以清楚地看到，只有中心波长为1270nm的滤光片有明显的近红外发光信号，该信号就是¹O₂近红外发光信号。如图4所示，随着溶液中玫瑰红浓度的增大，¹O₂在1270nm的发光光子数也随着增大，且在测量的浓度范围内呈线性增大，但在1210和1330nm处的近红外发光光子数基本保持不变。

本发明通过优化激光照射方式和光学收集系统，提高了现有¹O₂检测装置的信噪比。利用高灵敏度的近红外光电倍增管直接测量¹O₂近红外发光，并同时对样品中的氧分压和光敏剂荧光信号进行实时监测，三者结合起来后对PDT疗效进行综合评估，可应用于PDT-¹O₂剂量学的研究。

Claims (6)

1.一种具有氧分压和光敏剂荧光监测功能的单态氧检测装置，其特征是单态氧检测装置由激光器光源、信号同步单元、单态氧近红外发光检测单元、光敏剂荧光信号监测单元、氧分压监测单元和终端计算机处理系统组成，信号同步单元、单态氧近红外发光检测单元、光敏剂荧光信号监测单元、氧分压监测单元分别与终端计算机处理系统之间通过信号线连接，激光器光源分别与信号同步单元、单态氧近红外发光检测单元之间通过光路连接。

2.根据权利要求1所述的具有氧分压和荧光监测功能的单态氧检测装置，其特征是所述的信号同步单元由分光镜、光电二极管组成，脉冲激光器发出的激光，经过分光镜后，通过光电二极管产生计数板卡同步触发信号，进入终端计算机处理系统。

3.根据权利要求1所述的具有氧分压和荧光监测功能的单态氧检测装置，其特征是所述的单态氧近红外发光检测单元由窄带滤波片P2、平面反光镜、微透镜阵列、矩形导光管、石英比色皿、长波通滤波片、光学收集系统、滤光轮、近红外光电倍增管、前置放大器、计数板卡和基于LabVIEW的系统数据采集和处理软件组成，脉冲激光器发出的激光，依次通过窄带滤波片P2、平面反光镜、微透镜阵列、矩形导光管与石英比色皿，再经长波通滤波片、光学收集系统、滤光轮、近红外光电倍增管、前置放大器、计数板卡，进入终端计算机处理系统；所述的微透镜阵列和矩形导光管位于平面反光镜和石英比色皿之间，脉冲激光束经微透镜阵列和矩形导光管后形成准直均匀的扩束光斑。

4.根据权利要求1所述的具有氧分压和荧光监测功能的单态氧检测装置，其特征是所述的光敏剂荧光信号监测单元由窄带滤波片P1、耦合透镜、光纤和微型光纤光谱仪组成，光敏剂荧光信号经窄带滤波片P1、耦合透镜、光纤和微型光纤光谱仪，进入终端计算机处理系统。

5.根据权利要求1所述的具有氧分压和荧光监测功能的单态氧检测装置，其特征是所述的氧分压监测单元由置于石英比色皿内的氧分压探针、氧分压监控器组成，氧分压探针获得的信号经氧分压监控器处理后，进入终端计算机处理系统。

6.根据权利要求1所述的具有氧分压和荧光监测功能的单态氧检测装置，其特征是所述的激光器光源采用可调谐的脉冲激光器，激光输出波长范围是210nm～2200nm。

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