CN106880338B - 基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统 - Google Patents

基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统，包括检测光纤、为检测光纤提供激励光的激励光源、设置于检测光纤末端面的石墨烯层、通过从检测光纤中返回的拉曼散射光检测石墨烯拉曼光谱和被测物拉曼光谱的拉曼光谱仪；检测光纤末端面与石墨烯层之间设置有贵金属纳米粒子；利用石墨烯典型特征峰的移位大小可计算得到应力大小变化判断肿瘤细胞生长力大小；同时结合指纹库和返回来的拉曼散射光中包含了肿瘤细胞信息，可实现痕量肿瘤细胞的检测，提高检测的灵敏度，由于光纤的直径可制成很小，对肿瘤检测时，可以穿刺进入体内，实现原位实时在线的检测。

Description

基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统
技术领域
本发明涉及医疗检测领域，具体涉及一种基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统。
背景技术
世卫组织最新公布数据表明，全球每年有880万人死于癌症，占全球每年死亡总人数近六分之一；每年有1400多万新发癌症病例，预计到2030年这一数字将增加到2100多万。有效的早期诊断可在发病初期检出癌症，使治疗更有效、简单，降低治疗和治愈费用，减少国家卫生资源的浪费，最重要的是延长患者的生存时间。
在细胞生长过程中，普通细胞和癌症细胞的生长特性(包括生长因子、生长力、分裂速度、细胞特异性、分化等)有着显著不同，其差异主要在两方面：一是普通细胞和癌症细胞的细胞特异性有显著区别；二是普通细胞和癌症细胞的细胞生长力存在显著差异。针对细胞特异性的检测，主要在分子尺度上来开展研究，常用光谱法探测和分析细胞构成分子的差异，其中拉曼光谱一种非常有效的方法。通常分子的拉曼散射截面和荧光散射截面相比非常小，使得微弱的拉曼光信号淹没在强的荧光信号里面，导致常规的拉曼光谱探测灵敏度低。近年来，迅速发展起来的表面增强拉曼散射光谱(Surface-enhanced RamanScattering，简称SERS)克服了传统拉曼光谱存在的信号微弱、检测灵敏度低、易受荧光干扰的缺点，逐渐成为表征分子结构、探测痕量、甚至单分子特性的有效测试分析工具，在生命科学、生物医学等领域中有着广泛的应用前景。而针对细胞生长力的检测，常用的有原子力显微技术、磁性细胞仪、基于荧光共振能量转移技术等。
而现有肿瘤检测系统均有如下问题，生物细胞特异性识别与其生长力的检测由两个独立的传感器件和系统完成；多是为实验室环境下使用设计的大型设备，使用比较复杂；对生物细胞样品进行检测时，需要耗时进行细胞培养，原位实时在线性不好。
因此，为解决以上问题，需要一种基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统，具有多功能、高灵敏度、原位实时在线等优点，为细胞癌变、组织康复等生命科学领域提供一种新的检测手段。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供的基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统，具有多功能、高灵敏度、原位实时在线等优点，为细胞癌变、组织康复等生命科学领域提供一种新的检测手段。
本发明的基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统，包括检测光纤、为检测光纤提供激励光的激励光源、设置于检测光纤末端面的石墨烯层、通过从检测光纤中返回的拉曼散射光检测石墨烯拉曼光谱和被测物拉曼光谱的拉曼光谱仪；检测光纤末端面与石墨烯层之间设置有贵金属纳米粒子。
进一步，所述检测光纤为多根且多根检测光纤的末端面均共面并组成二维探测面。
进一步，还包括光开关、光纤耦合器和光开关控制器；激励光源的输出端通过一输出光纤与光纤耦合器的第一输入端连接，所述拉曼光谱仪的输入端通过一输入光纤与光纤耦合器的第二输入端连接，所述光纤耦合器的输出端通过一连接光纤与光开关的输入端连接，多根检测光纤的起始端分别与光开关的多个输出端一一对应连接，所述光开关控制器的输出端与光开关的控制输入端连接并用于控制光开关依次启闭自身各输出端。
进一步，还包括输入端与光谱仪输出端电连接的数据处理器，数据处理器用于根据石墨烯拉曼光谱数据计算石墨烯的应力/应变大小，同时数据处理器还根据被测物拉曼光谱数据判断被测物的特异性，数据处理器的控制输出端与光开关控制器的输入端连接。
进一步，所述贵金属纳米粒子为纳米金粒子或纳米银粒子。
进一步，多根检测光纤之间通过填充填充物并设置外层保护套后形成光纤束。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统，通过单根光纤返回的拉曼散射信号中石墨烯的典型特征峰的位置，利用石墨烯典型特征峰的移位大小可计算得到应力大小；通过多根光纤束返回的拉曼散射信号，可实现表面二维应力传感测量；同时，激励光通过光纤，再以此通过表面增强拉曼散射基底和肿瘤细胞，返回来的拉曼散射光中包含了肿瘤细胞信息，可实现痕量肿瘤细胞的检测；根据单根光纤返回来的增强拉曼信号可实现肿瘤的定性检测，同时根据光纤束返回来的石墨烯的拉曼信号计算出的面应力分布情况可实现肿瘤的定位检测，定性和定位相结合，可有效实现肿瘤的超早期检测；此系统具有高灵敏度、定性和定位相互印证、原位实时在线检测等优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中石墨烯层的结构示意图；
图3为本发明中光纤束端面图；
图4为本发明光散射示意图；
图5为本发明中检测前后的拉曼光谱图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，图2为本发明中石墨烯层的结构示意图，图3为本发明中光纤束端面图，图4为本发明光散射示意图，图5为本发明中检测前后的拉曼光谱图，如图所示，本实施例中的基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统；包括检测光纤6a、为检测光纤6a提供激励光的激励光源1、设置于检测光纤6a末端面的石墨烯层7、通过从检测光纤6a中返回的拉曼散射光检测石墨烯拉曼光谱和被测物拉曼光谱的拉曼光谱仪9；检测光纤6a末端面与石墨烯层7之间设置有贵金属纳米粒子7a；检测光纤6a的末端面表示激励光的出射面，制备方法：首先对光纤端面进行粗化处理(NH4F，HF，H2O等配置粗化液)，使光纤端面易于与后续金属纳米粒子结合；再进行光纤端面敏化处理(HF，SnF2，H2O等配置敏华液)，易于与后续金属纳米粒子结合；然后再光纤端面采用化学方法沉积金属纳米粒子；再将石墨烯转移到金属纳米粒子上；通过烘干处理，石墨烯金属纳米粒子复合材料沉积在光纤端面。另外，也可在金属纳米粒子上吸附一层偶联剂，再将石墨烯转移上去，其中偶联剂的作用可以使得金属纳米粒子与石墨烯的结合均匀性更好，更紧密；检测时，检测光纤6a的末端面直接与细胞/组织接触，激励光通过检测光纤6a后直接从末端面射出并激发细胞/组织发生拉曼散射，石墨烯层7与细胞/组织8接触直接接触检测突变点的应力变化，而贵金属纳米粒子7a能够同时增强石墨烯和肿瘤细胞的拉曼信号，通过返回的拉曼散射信号中石墨烯的典型特征峰的位置，利用石墨烯典型特征峰的移位大小可计算得到应力大小变化判断肿瘤细胞生长力大小，如图5，a为自由石墨烯拉曼光谱，b为细胞检测时返回的拉曼光谱，里面包含了石墨烯拉曼特征峰的移位，也包含了细胞的指纹识别峰(带“*”的波峰)；在肿瘤细胞生长的超早期，肿瘤细胞数量极少，肿瘤细胞和正常细胞的拉曼光谱相互混杂，肿瘤细胞的生长力与周边的正常细胞区别也不显著，而本系统同时结合指纹库和返回来的拉曼散射光中包含了肿瘤细胞信息，可实现痕量肿瘤细胞的检测，提高检测的灵敏度，可有效实现肿瘤的超早期检测，由于光纤的直径可制成很小，对肿瘤检测时，可以穿刺进入体内，实现原位实时在线的检测。
本实施例中，所述检测光纤6a为多根且多根检测光纤6a的末端面均共面并组成二维探测面；根据单根光纤返回来的增强拉曼信号可实现肿瘤的定性检测，同时根据光纤束返回来的石墨烯的拉曼信号计算出的面应力分布情况可实现肿瘤的定位检测，提高检测效率，同时，定性和定位相结合，利用光纤的空分复用技术实现非扫描的二维测量，利于监测肿瘤生长状况。
本实施例中，还包括光开关5、光纤耦合器3和光开关控制器(未画出)；激励光源的输出端通过一输出光纤2与光纤耦合器3的第一输入端连接，所述拉曼光谱仪9的输入端通过一输入光纤9与光纤耦合器3的第二输入端连接，所述光纤耦合器3的输出端通过一连接光纤4与光开关的输入端连接，多根检测光纤6a的起始端分别与光开关的多个输出端一一对应连接，所述光开关控制器的输出端与光开关的控制输入端连接并用于控制光开关依次启闭自身各输出端；通过光开关5、光纤耦合器3和光开关控制器的设置，控制光开关实现检测光纤6a依次打开并关闭，即在二维探测面以点扫面的方式检测被探测面，可简化系统设计；光开关、光纤耦合器3和光开关控制器均为现有技术，在此不再赘述。
本实施例中，还包括输入端与光谱仪输出端电连接的数据处理器11，数据处理器11用于根据石墨烯拉曼光谱数据计算石墨烯的应力/应变大小，同时数据处理器11还根据被测物拉曼光谱数据判断被测物的特异性，数据处理器11的控制输出端与光开关控制器的输入端连接。
本实施例中，多根检测光纤6a之间通过填充填充物6b并设置外层保护套6c后形成光纤束6；保证检测光纤6a固定稳定且不易受到损坏。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统，其特征在于：包括检测光纤、为检测光纤提供激励光的激励光源、设置于检测光纤末端面的石墨烯层、通过从检测光纤中返回的拉曼散射光检测石墨烯拉曼光谱和被测物拉曼光谱的拉曼光谱仪；检测光纤末端面与石墨烯层之间设置有贵金属纳米粒子；
所述检测光纤为多根且多根检测光纤的末端面均共面并组成二维探测面；
还包括光开关、光纤耦合器和光开关控制器；激励光源的输出端通过一输出光纤与光纤耦合器的第一输入端连接，所述拉曼光谱仪的输入端通过一输入光纤与光纤耦合器的第二输入端连接，所述光纤耦合器的输出端通过一连接光纤与光开关的输入端连接，多根检测光纤的起始端分别与光开关的多个输出端一一对应连接，所述光开关控制器的输出端与光开关的控制输入端连接并用于控制光开关依次启闭自身各输出端；
还包括输入端与光谱仪输出端电连接的数据处理器，数据处理器用于根据石墨烯拉曼光谱数据计算石墨烯的应力/应变大小，同时数据处理器还根据被测物拉曼光谱数据判断被测物的特异性，数据处理器的控制输出端与光开关控制器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统，其特征在于：所述贵金属纳米粒子为纳米金粒子或纳米银粒子。
3.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼散射技术的肿瘤原位在线检测系统，其特征在于：多根检测光纤之间通过填充填充物并设置外层保护套后形成光纤束。
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