CN108489962B - 一种基于空间偏移拉曼光谱技术的生物组织检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗检测领域，具体涉及一种基于空间偏移拉曼光谱技术的便携式生物组织检测装置。包括计算机、检测控制器、激光器、光谱仪、三自由度机械臂、SORS检测头、检测平台、密闭样品室。本发明采用SORS技术，将待测样品进行密封，避光保存的同时可以直接采用设备检测其拉曼光谱，从而针对其进行检测；将SORS技术和SERS技术结合使用，解决了SORS检测生物样品信号较低的缺陷，同时解决了SERS检测样品只能检测表明信息的缺陷；设计了新的SORS检测头，该检测头检测灵敏度高，易于控制，且控制位移的精度高，不受步进电机精度的影响；设计了新型的生物样品存储的装置，可以长期保存样品且随时可以进行SORS信号的检测。

Description

一种基于空间偏移拉曼光谱技术的生物组织检测装置

技术领域

本发明属于医疗检测领域，涉及一种生物组织检测装置，具体涉及一种基于空间偏移拉曼光谱技术的便携式生物组织检测装置。

背景技术

在现代医学检测中，生物组织检测是进行医疗诊断的重要方式。由于生物体组织的变化会导致其内部的组织成分发生变化，通过检测生物体组织，获取其成分的信息，并与健康和病变的组织成分信息进行对比就可以进一步确定生物体的健康状态。

拉曼光谱是一种分析分子结构的有用工具。拉曼光谱特征峰位置、强度和线宽可以提供分子振动、转动方面的信息，反映出不同的化学键或官能团。拉曼光谱作为一种无损、非接触的快速检测技术，已吸引广大科研人员的关注，并被应用于各行各业中。由于拉曼样品用量很少，不需要对生物样品进行固定、脱水、包埋、切片、染色、标记等繁琐的前处理程序，不仅操作简单，而且不会损伤样品，从而能够获得样品最真实的信息。另外，生物大分子多是处在水溶液环境中，研究它们在水溶液中的结构对于了解生物大分子的结构与性能的关系非常重要。水的拉曼散射很弱，干扰小，而且单细胞拉曼光谱能提供细胞内核酸、蛋白质、脂质含量等大量信息，可在不损伤细胞的条件下实时动态地监测细胞分子结构变化，可以对细胞、病毒等进行原位检测分析。

近些年拉曼检测技术快速发展，表面增强拉曼检测技术得到成功的应用，现在已经有许多医用检测设备基于表面增强拉曼检测技术。例如针对癌症的检测（吴亚东, 徐维平, 金勤玉,等. 表面增强拉曼散射在癌症检测中的应用进展[J]. 广州化工, 2015(4):17-18.）表面增强拉曼检测技术能够准确给出被检测的癌细胞分子层面的信息。虽然表面增强拉曼检测技术可以在原样本的基础上大大增强拉曼检测信号，但是其仅仅能够进行样品的表面检测，对于样品内部的检测需要将样品进行切片，但是生物体在切片过程中不可避免的会产生破坏性干扰。此外，表面增强拉曼检测进行生物组织的检测往往是一次性的，样品不能长期保存，即使将样品进行封装，也需要使用透光材料，这样一来生物体暴露在阳光下也会使样品发生变化。

空间偏移拉曼光谱（SORS）是一种新型分析技术，使用相对较低能量的激光，在分层扩散的散射系统中，分离单个次层的拉曼光谱。在激发点样品表面上的空间位移区域收集拉曼光谱。在增加的空间位移处所观察到的拉曼光谱包括深层提供的相对贡献，这是光子在表面扩展的缘故。由于拉曼和荧光组分（同一层）具有相同的空间分布，因此SORS能够有效地消除来自表面层的荧光。不同位移处的拉曼光谱都有不同程度的表面和次表面的组分，可以通过简单的数值方法分离不同层之间的拉曼光谱。

申请号201610679461.5公开了一种空间偏移拉曼光谱探测系统，其包括激光器、扩束装置、信号收集装置、带通滤波装置、聚焦装置、光谱仪和锥透镜环式激光辐照装置，解决了现有技术中需要通过反复移入、移出锥透镜以实现0偏移量的弊端，避免了由于重复定位引起的辐照不均匀性。仅通过一维方向上的平移，即可实现空间偏移量从0开始的连续可调。但是其仅提供了一种SORS检测装置，没有具体对其进行应用。

申请号WO2005GB04535公开了一种基于空间偏移拉曼光谱的材料检测方式，其基于空间偏移拉曼光谱针对装在包装中的药剂进行检测，可以不打开包装直接对其内部进行检测。但是其仅限于针对纯度较高的样品进行检测，不能对纯度较低或者拉曼信号较弱的样品进行检测。

申请号201080062397.7公开了通过拉曼光谱进行的体内组织表征的设备，实现了95.8%的诊断敏感性和93.8%的特异性，但是其样品需要特殊制备，且其样品不能长久保存。

申请号201010506488.7公开了基于金纳米棒的癌症早期诊断方法，通过对探针分子的拉曼光谱的测量，实现癌症的早期、高灵敏度检测。所选用的金纳米棒吸收峰在近红外波段，从而可以使泵浦光和散射光较容易的进入和穿出人体。这为早期癌症的临床诊断提供了一种全新、高效、便捷的方法。同样其样品需要特殊制备，且不能长久保存。

因此，目前急需一种基于拉曼光谱检测技术的可以长久保存样品的生物组织检测装置。

发明内容

本发明克服以上缺陷，提供一种基于空间偏移拉曼光谱技术的便携式生物组织检测装置，包括计算机、检测控制器、激发光模块、激光器、分光模块、光谱仪、三自由度机械臂、SORS检测头、检测平台、密闭样品室；激发光模块包括激光器、聚焦镜、耦合器、入射光纤，分光模块包括光谱仪、收集光纤；其特征在于，所述计算机分别与检测控制器、激光器、光谱仪连接，激光器发出激光经聚焦镜后的耦合器耦合入入射光纤，入射光纤连接SORS检测头，SORS检测头安装在三自由度机械臂上，检测控制器控制三自由度机械臂和SORS检测头完成空间偏移拉曼光谱的激发和收集，收集光经收集光纤传输至光谱仪完成分光，光谱仪的分光信号经计算机处理后在计算机上显示检测结果；所述密闭样品室中储存有待测生物组织样品和表面增强拉曼活性材料。

SORS检测头包括框架板、激发光发射头、拉曼信号接收头、第一螺纹杆、第一电机、第二螺纹杆、第二电机、第一光滑杆、弹簧、压力检测器；所述框架板具有长方形底面和两个侧壁，长方形底面中设置有一圆形通孔和一长方形通孔，所述圆形通孔设置于长方形底面的一端，所述长方形通孔的长度方向与长方形底面一致；激发光发射头上端连接入射光纤，激发光发射头下端设置于框架板的一端的圆形通孔上，使得激发光可以通过圆形通孔入射到框架板以下；拉曼信号接收头的上端连接收集光纤，拉曼信号接收头的下端设置于长方形通孔上，拉曼信号接收头的底面直径与长方形通孔的短边长小约0.5-1mm，使得拉曼信号接收头的底面可以在长方形通孔内滑动；所述拉曼信号接收头的侧面设置有连接板，连接板上设置有第一螺纹孔、第一光滑孔和第二螺纹孔；所述第一螺纹杆和第二螺纹杆顶接于框架板的两个侧壁之间，并可以与两个侧壁相对转动，所述第一电机和第二电机设置于框架板远离长方形底面的圆形通孔一侧的侧壁上，第一电机连接第一螺纹杆，第一螺纹杆穿过第一螺纹孔，第二电机连接第二螺纹杆，第二螺纹杆穿过第二螺纹孔，第二电机设置于第一电机的正下方；第一电机和第二电机同步转动带动第一螺纹杆和第二螺纹杆同步转动，使得拉曼信号接收头可以在长方形通孔中滑动；第一光滑杆顶接于框架板的两个侧壁之间，并位于第一螺纹杆和第二螺纹杆之间，第一螺纹杆上套设弹簧，弹簧的一端顶接在拉曼信号接收头的侧面设置的连接板远离激发光发射头的一侧，弹簧的另一端顶接在框架板远离激发光发射头一端的侧壁上设置的压力检测器上；通过压力检测器检测的压力可以获得弹簧的长度，从而获得拉曼信号接收头在长方形通孔内的位置。

所述密闭样品室包括上覆盖面、样品层和容置槽；所述上覆盖面和容置槽使用不透明材料，样品层为使用表面增强拉曼活性材料处理过的生物组织。

使用表面增强拉曼活性材料处理生物组织的方法为：

步骤A，制备贵金属纳米颗粒胶体，所述贵金属纳米颗粒胶体的制备方法采用激光液相烧蚀法，制备的贵金属纳米颗粒胶体中贵金属纳米颗粒的直径约50-200nm，所述贵金属纳米颗粒胶体中除贵金属纳米颗粒与水外不含有其他杂质成分；

步骤B，获取生物组织，生物组织可以是植物、动物或者人的组织样品；

步骤C，将生组织与贵金属纳米颗粒胶体混合后低温超声，所述生物组织与贵金属纳米颗粒胶体的体积比为1:0.1至1:0.5，超声时控制温度不超过30℃，超声时间5-10min。

密闭样品室的制作步骤为：将超声后的样品加入容置槽中填满，盖上覆盖面，结合处采用密封方法密封。

激光器为Nd：YAG激光器或者氦氖激光器。

所述第一电机和第二电机为微型步进电机。

所述光谱仪为光栅光谱仪。

第一电机和第二电机的步距角为1.8°，步距精度为±5%。

所述检测平台底部设置有控温装置，控制检测平台的温度为-10℃至20℃。

本发明的有益效果为：

1）本发明采用SORS技术，将待测样品进行密封，避光保存的同时可以直接采用设备检测其拉曼光谱，从而针对其进行检测；

2）本发明将SORS技术和SERS技术结合使用，解决了SORS检测生物样品信号较低的缺陷，同时解决了SERS检测样品只能检测表明信息的缺陷；

3）本发明设计了新的SORS检测头，该检测头检测灵敏度高，易于控制，且控制位移的精度高，不受步进电机精度的影响；

4）本发明设计了新型的生物样品存储的装置，可以长期保存样品且随时可以进行SORS信号的检测。

附图说明

图1 本发明装置的整体结构示意图；

图2 本发明装置的SORS检测头及密闭样品室细节结构示意图；

图3 本发明SORS检测头的俯视图。

具体实施方式

实施例1

结合图1-3，本实施例针对本发明装置进行具体说明。

一种基于空间偏移拉曼光谱技术的便携式生物组织检测装置，包括计算机1、检测控制器2、激发光模块3、激光器301、分光模块4、光谱仪401、三自由度机械臂5、SORS检测头6、检测平台7、密闭样品室8；激发光模块3包括激光器301、聚焦镜302、耦合器303、入射光纤304，分光模块4包括光谱仪401、收集光纤402；其特征在于，所述计算机1分别与检测控制器2、激光器301、光谱仪401连接，激光器301发出激光经聚焦镜302后的耦合器303耦合入入射光纤304，入射光纤304连接SORS检测头6，SORS检测头6安装在三自由度机械臂5上，检测控制器2控制三自由度机械臂5和SORS检测头6完成空间偏移拉曼光谱的激发和收集，收集光经收集光纤402传输至光谱仪401完成分光，光谱仪401的分光信号经计算机1处理后在计算机1上显示检测结果；所述密闭样品室8中储存有待测生物组织样品和表面增强拉曼活性材料。

所述SORS检测头6包括框架板601、激发光发射头602、拉曼信号接收头603、第一螺纹杆604、第一电机605、第二螺纹杆606、第二电机607、第一光滑杆608、弹簧609、压力检测器610；所述框架板601具有长方形底面和两个侧壁，长方形底面中设置有一圆形通孔和一长方形通孔，所述圆形通孔设置于长方形底面的一端，所述长方形通孔的长度方向与长方形底面一致；激发光发射头602上端连接入射光纤304，激发光发射头602下端设置于框架板601的一端的圆形通孔上，使得激发光可以通过圆形通孔入射到框架板601以下；拉曼信号接收头603的上端连接收集光纤402，拉曼信号接收头603的下端设置于长方形通孔上，拉曼信号接收头603的底面直径与长方形通孔的短边长小约0.5-1mm，使得拉曼信号接收头603的底面可以在长方形通孔内滑动；所述拉曼信号接收头603的侧面设置有连接板，连接板上设置有第一螺纹孔、第一光滑孔和第二螺纹孔；所述第一螺纹杆604和第二螺纹杆606顶接于框架板601的两个侧壁之间，并可以与两个侧壁相对转动，所述第一电机605和第二电机607设置于框架板601远离长方形底面的圆形通孔一侧的侧壁上，第一电机605连接第一螺纹杆604，第一螺纹杆604穿过第一螺纹孔，第二电机607连接第二螺纹杆606，第二螺纹杆606穿过第二螺纹孔，第二电机607设置于第一电机605的正下方；第一电机605和第二电机607同步转动带动第一螺纹杆604和第二螺纹杆606同步转动，使得拉曼信号接收头603可以在长方形通孔中滑动；第一光滑杆608顶接于框架板601的两个侧壁之间，并位于第一螺纹杆604和第二螺纹杆606之间，第一螺纹杆604上套设弹簧609，弹簧609的一端顶接在拉曼信号接收头603的侧面设置的连接板远离激发光发射头602的一侧，弹簧609的另一端顶接在框架板601远离激发光发射头602一端的侧壁上设置的压力检测器610上；通过压力检测器610检测的压力可以获得弹簧609的长度，从而获得拉曼信号接收头603在长方形通孔内的位置。

所述密闭样品室8包括上覆盖面801、样品层802和容置槽803；所述上覆盖面801和容置槽803使用不透明材料，样品层802为使用表面增强拉曼活性材料处理过的生物组织。

使用表面增强拉曼活性材料处理生物组织的方法为：

步骤A，制备贵金属纳米颗粒胶体，所述贵金属纳米颗粒胶体的制备方法采用激光液相烧蚀法，制备的贵金属纳米颗粒胶体中贵金属纳米颗粒的直径约50-200nm，所述贵金属纳米颗粒胶体中除贵金属纳米颗粒与水外不含有其他杂质成分；

步骤B，获取生物组织，生物组织可以是植物、动物或者人的组织样品；

步骤C，将生组织与贵金属纳米颗粒胶体混合后低温超声，所述生物组织与贵金属纳米颗粒胶体的体积比为1:0.1至1:0.5，超声时控制温度不超过30℃，超声时间5-10min。

密闭样品室8的制作步骤为：将超声后的样品加入容置槽803中填满，盖上覆盖面801，结合处采用密封方法密封。

激光器301为Nd：YAG激光器301或者氦氖激光器301。

所述第一电机605和第二电机607为微型步进电机。

所述光谱仪401为光栅光谱仪401。

第一电机605和第二电机607的步距角为1.8°，步距精度为±5%。

所述检测平台7底部设置有控温装置，控制检测平台7的温度为-10℃至20℃。

实施例2

下面针对本发明装置的使用方法进行具体说明，本实施例检测一种人体组织样本。

首先获取待测样品，即将从人体病变部位的组织样品取下后进行初步的预处理，所述预处理包括清洗和剥离非检测物。

将预处理后的样品进行整形，使其和容置槽形状相当。

制备贵金属纳米颗粒胶体，所述贵金属纳米颗粒胶体的制备方法采用激光液相烧蚀法，制备的贵金属纳米颗粒胶体中贵金属纳米颗粒的直径约50-200nm，所述贵金属纳米颗粒胶体中除贵金属纳米颗粒与水外不含有其他杂质成分；

将生组织与贵金属纳米颗粒胶体混合后低温超声，所述生物组织与贵金属纳米颗粒胶体的体积比为1:0.1至1:0.5，超声时控制温度不超过30℃，超声时间5-10min。

将处理后的样品放置于容置槽中，然后盖上覆盖面，结合处采用密封方法密封。

将密闭样品室放置于检测平台上，检测头正下方，控制检测平台7的温度为0℃。控制计算机使三维机械臂移动，使SORS探头上的激发光发射头对准待测位置后发射激发光。

计算机控制第一电机和第二电机转动，带动拉曼信号接收头移动，在移动中获取SORS信号，光谱仪分析SORS信号，传送至计算机。在获取SORS信号的同时获取压力检测器的压力数值，并根据胡克定律计算当前拉曼信号接收头的具体位置。

计算机根据获取的SORS信号，在计算机屏幕上显示不同移动位置和不同拉曼频移的SORS信号，供测试者分析。

Claims (6)

1.一种基于空间偏移拉曼光谱技术的便携式生物组织检测装置，包括计算机（1）、检测控制器（2）、激发光模块（3）、激光器（301）、分光模块（4）、光谱仪（401）、三自由度机械臂（5）、SORS检测头（6）、检测平台（7）、密闭样品室（8）；激发光模块（3）包括激光器（301）、聚焦镜（302）、耦合器（303）、入射光纤（304），分光模块（4）包括光谱仪（401）、收集光纤（402）；其特征在于，所述计算机（1）分别与检测控制器（2）、激光器（301）、光谱仪（401）连接，激光器（301）发出激光经聚焦镜（302）后的耦合器（303）耦合入入射光纤（304），入射光纤（304）连接SORS检测头（6），SORS检测头（6）安装在三自由度机械臂（5）上，检测控制器（2）控制三自由度机械臂（5）和SORS检测头（6）完成空间偏移拉曼光谱的激发和收集，收集光经收集光纤（402）传输至光谱仪（401）完成分光，光谱仪（401）的分光信号经计算机（1）处理后在计算机（1）上显示检测结果；所述密闭样品室（8）中储存有待测生物组织样品和表面增强拉曼活性材料；

SORS检测头（6）包括框架板（601）、激发光发射头（602）、拉曼信号接收头（603）、第一螺纹杆（604）、第一电机（605）、第二螺纹杆（606）、第二电机（607）、第一光滑杆（608）、弹簧（609）、压力检测器（610）；所述框架板（601）具有长方形底面和两个侧壁，长方形底面中设置有一圆形通孔和一长方形通孔，所述圆形通孔设置于长方形底面的一端，所述长方形通孔的长度方向与长方形底面一致；激发光发射头（602）上端连接入射光纤（304），激发光发射头（602）下端设置于框架板（601）的一端的圆形通孔上，使得激发光可以通过圆形通孔入射到框架板（601）以下；拉曼信号接收头（603）的上端连接收集光纤（402），拉曼信号接收头（603）的下端设置于长方形通孔上，拉曼信号接收头（603）的底面直径与长方形通孔的短边长小约0.5-1mm，使得拉曼信号接收头（603）的底面可以在长方形通孔内滑动；所述拉曼信号接收头（603）的侧面设置有连接板，连接板上设置有第一螺纹孔、第一光滑孔和第二螺纹孔；所述第一螺纹杆（604）和第二螺纹杆（606）顶接于框架板（601）的两个侧壁之间，并可以与两个侧壁相对转动，所述第一电机（605）和第二电机（607）设置于框架板（601）远离长方形底面的圆形通孔一侧的侧壁上，第一电机（605）连接第一螺纹杆（604），第一螺纹杆（604）穿过第一螺纹孔，第二电机（607）连接第二螺纹杆（606），第二螺纹杆（606）穿过第二螺纹孔，第二电机（607）设置于第一电机（605）的正下方；第一电机（605）和第二电机（607）同步转动带动第一螺纹杆（604）和第二螺纹杆（606）同步转动，使得拉曼信号接收头（603）可以在长方形通孔中滑动；第一光滑杆（608）顶接于框架板（601）的两个侧壁之间，并位于第一螺纹杆（604）和第二螺纹杆（606）之间，第一螺纹杆（604）上套设弹簧（609），弹簧（609）的一端顶接在拉曼信号接收头（603）的侧面设置的连接板远离激发光发射头（602）的一侧，弹簧（609）的另一端顶接在框架板（601）远离激发光发射头（602）一端的侧壁上设置的压力检测器（610）上；通过压力检测器（610）检测的压力可以获得弹簧（609）的长度，从而获得拉曼信号接收头（603）在长方形通孔内的位置；

所述密闭样品室（8）包括上覆盖面（801）、样品层（802）和容置槽（803）；所述上覆盖面（801）和容置槽（803）使用不透明材料，样品层（802）为使用表面增强拉曼活性材料处理过的生物组织；

使用表面增强拉曼活性材料处理生物组织的方法为：

步骤A，制备贵金属纳米颗粒胶体，所述贵金属纳米颗粒胶体的制备方法采用激光液相烧蚀法，制备的贵金属纳米颗粒胶体中贵金属纳米颗粒的直径50-200nm，所述贵金属纳米颗粒胶体中除贵金属纳米颗粒与水外不含有其他杂质成分；

步骤B，获取生物组织，生物组织可以是植物、动物或者人的组织样品；

步骤C，将生组织与贵金属纳米颗粒胶体混合后低温超声，所述生物组织与贵金属纳米颗粒胶体的体积比为1:0.1至1:0.5，超声时控制温度不超过30℃，超声时间5-10min；

密闭样品室（8）的制作步骤为：将超声后的样品加入容置槽（803）中填满，盖上覆盖面（801），结合处采用密封方法密封，避光保存的同时可以直接采用设备检测其拉曼光谱，可以长期保存样品且随时可以进行SORS信号的检测。

2.根据权利要求1所述的基于空间偏移拉曼光谱技术的便携式生物组织检测装置，其特征在于激光器（301）为Nd：YAG激光器（301）或者氦氖激光器（301）。

3.根据权利要求2所述的基于空间偏移拉曼光谱技术的便携式生物组织检测装置，其特征在于第一电机（605）和第二电机（607）为微型步进电机。

4.根据权利要求3所述的基于空间偏移拉曼光谱技术的便携式生物组织检测装置，其特征在于所述光谱仪（401）为光栅光谱仪（401）。

5.根据权利要求4所述的基于空间偏移拉曼光谱技术的便携式生物组织检测装置，其特征在于第一电机（605）和第二电机（607）的步距角为1.8°，步距精度为±5%。

6.根据权利要求5所述的基于空间偏移拉曼光谱技术的便携式生物组织检测装置，其特征在于所述检测平台（7）底部设置有控温装置，控制检测平台（7）的温度为-10℃至20℃。

Images