CN108760771B

CN108760771B - 一种利用近场微波显微镜对药物进行示踪的方法

Info

Publication number: CN108760771B
Application number: CN201810816014.9A
Authority: CN
Inventors: 吴喆; 刘高; 张显锋; 甘伟伟; 柳建龙; 曾葆青
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2038-07-24
Also published as: CN108760771A

Abstract

本发明是一种利用扫描近场微波显微镜对药物进行示踪的方法，通过近场微波装置测得已知浓度的溶液的散射参数建立药物的浓度和散射参数一一对应的浓度参数数据库，当需要测试未知浓度溶液的浓度时，采用近场探测装置对未知浓度溶液测量其散射参数，再通过反演得到所测未知浓度药物的浓度信息。其装置包括近场微波装置，被测样品，数据采集系统，数据分析、处理系统。其特征在于：矢量网络分析仪中的微型信号源产生微波信号通过定向耦合器传导进入探针的尖端，微波信号在被测溶液反射后，由数据采集系统采集数据，然后由数据处理系统分析、处理采集到的数据，建立药物浓度与散射参数一一对应的数据库，再通过计算机反演得到未知浓度药物的浓度。

Description

一种利用近场微波显微镜对药物进行示踪的方法

技术领域

本发明涉及一种微波近场医学药物示踪方法，属于近场微波医学检测方法类。

背景技术

经过长期的发展，远场显微镜及其相应的应用已日臻成熟，并在科技的发展中起到了至关重要的作用。然而，由于受到阿贝尔衍射现象的限制，远场显微镜不能分辨出小于二分之一波长的细节，相对于远场探测，具有更高的分辨率，同时其可测频段为0～20GHZ，测量范围大。因此，短波显微镜成为人们关注的焦点，当被载波的频率高于负载波的频率时，负载波携带的信息是无效的，因此短波显微镜的分辨率是有限的。

能够突破衍射极限，实现小于λ/2的分辨率的近场方法有很多，比如电子显微镜，它是利用光的波粒二相性，用电子代替光子，在电磁透镜的作用下在荧光屏上成像。但是其工作环境为真空，不利于实际的生物医学检测。原子力显微镜利用探针与样品之间的相互作用力，得到样品表面形貌，可达到原子尺度的分辨率。扫描隧道显微镜根据样品表面分子中的电子隧道电流来测定样品的表面形貌。这些方法虽然可以实现突破衍射极限，但是获取速度慢，分辨率比较低，对样品具有一定的损伤。

微波在电磁频谱上占据着非常重要地位，可以和被测样品发生极其多的相互作用，尤其近场微波的发现克服了衍射极限，使得微波的应用范围更加宽广。把近场微波成像技术和医学检测技术相结合有着巨大的优势，该技术可以用非接触的方式检测出药物在靶向位置的药物浓度，具有非常广阔的应用前景。

药物制剂体内转运示踪研究是药物体内质量考察和生物药剂学研究的有效手段。目前国内常用的示踪法有放射照相技术、插管技术、γ-闪烁扫描技术等。放射性照相技术和γ-闪烁扫描技术需要添加放射性元素作为标记元素，而插管技术是一种接触式的技术。这些方法都不能具体得到药物的离子浓度和进行非接触式的测量，且具有一定的毒性，对人体造成一定的伤害，同时对物体的分辨率不高，而采用近场微波成像技术，不仅可以通过非接触式的测量方式进行测量，而且对人体是无毒无害的，得到的图像分辨率可以达到纳米级，同时得到药物在靶向位置的具体的浓度参数。

发明内容

本发明的目的：旨在提出一种利用近场微波显微镜对药物进行示踪的方法，构筑成像平台，对药物溶液进行测量，建立待测药物浓度的电磁参数数据库，对药物溶液提供有效直观的图像信息和药物浓度相对应的散射参数信息，最后通过测量未知浓度药物溶液的散射参数，对比匹配数据库反演得到药物的浓度信息。

利用近场微波显微镜对药物进行示踪的方法，微波信号通过定向耦合器传导进入探针的尖端，微波信号在被测物体的表面反射后，由数据采集系统采集数据，由数据处理系统分析、处理采集到的数据，然后得到药物的电磁参数、位置信息和浓度信息，建立待测药物浓度的电磁参数数据库，最后通过计算机反演得到药物浓度参数。

本发明技术方案为一种利用近场微波显微镜对药物进行示踪的方法，该方法包括：

步骤1：由矢量网络分析仪内部的信号源产生信号，将该信号分成两路信号，一路信号作为变频信号的参考信号，另一路作为激励信号通过金属探针发射为微波信号，照射样品溶液，所述金属探针尖端距离样本溶液的距离小于一个波长，通过金属探针发射的微波信号频率范围为2-18GHz；

步骤2：金属探针接收经待测液体反射回的信号，采用四分之一波长同轴谐振腔对接收到的微波信号进行放大处理，然后将放大处理后的信号分为反射回波信号和透射回波信号，采用步骤1中的参考信号分别对反射回波信号和透射回波信号进行下变频处理，得到反射回波中频信号和透射回波中频信号；从两路中频信号中提取出对应的幅度和相位，通过比值运算求出溶液的散射参数，该散射参数的幅度为两路中频信号幅度的比值，相位为两路中频信号的相位之差；

步骤3：移动所述金属探针，采用逐点扫描或者面扫描的方法，获取待测溶液样品不同位置的散射参数；

步骤4：采用步骤3中获得的样品分布的散射参数建立药物溶液和散射参数一一对应的数据库；

步骤5：对未知溶液样品采用步骤1至步骤4的测量相同的方法进行测量，得到未知浓度溶液的散射参数，通过匹配步骤4中建立的数据库，反演推出未知溶液的浓度，从而得到不同位置药物的浓度，达到示踪的目的。

进一步，所述步骤1中，当微波信号的频率为3GHz时，探针距离样本溶液表面的距离为0.2λ,其中λ表示信号波长；当微波信号的频率为8GHz时；探针距离样本溶液表面的距离为0.4λ；当微波信号的频率为18GHz时，探针距离样本溶液表面的距离为0.6λ。

进一步，所述放大处理后的信号分为反射回波信号和透射回波信号的方法为：利用接收到两路信号的相位差进行分离，相位低的为反射信号，相位高的为透射信号。

一种利用近场微波显微镜对药物进行示踪的装置，其中包括：探针、四分之一波长同轴谐振腔、数据发射和采集单元组、三维位移台、数据处理单元组；其中所述探针为金属探针，探针耦合到四分之一波长同轴谐振腔；所述数据发射和采集单元组的作用为产生微波信号和探测微扰近场微波信号，建立浓度参数数据库；所述三维位移台的作用为移动探针，使探针针尖到液体样品的距离小于一个波长，保证处于近场范围；数据处理单元组的作用为发出控制指令和对探测到的参数进行反演匹配得到未知浓度溶液的浓度。

本发明提出了一种利用近场微波显微装置对药物进行示踪的方法，具有以下显著的优势：

第一，这种方法可以对药物溶液进行无添加剂、无损害、非接触式的检测得到未知浓度溶液的浓度。由于药物溶液和探针的相互作用，即两者之间产生微弱干扰，利用微扰理论可得到同轴谐振腔随着空间位置的变化而变化的谐振频率、品质因数和反射系数参数，通过多次测量即可建立浓度参数数据库，最后通过反演匹配出散射参数相应的药物溶液浓度。不同于传统的生物成像，需要先对测试溶液进行荧光标记或者进行接触式探测，着可能会导致一定的伤害。

第二，这种方法具有操作简单快速扫描成像的特点。与荧光标记法不同，不需要进行染色标记等复杂的操作。另外改装置的分辨率可以通过参数设置控制，如果设置的扫描步长足够小，相应近场微波显微装置的分辨率就足够高。由于利用的是近场微波微扰理论，可以突破阿贝衍射现象，不存在远场显微镜不能分辨出小于二分之一载波波长细节的缺点，显著地提高了分辨率。

第三，本发明方法探针针尖与溶液表面距离小于一个波长处于近场探测的范围，使得本发明探针能够接收到溶液反射回的隐失波，提取出的中频信号所携带的信息能够提高本发明计算溶液浓度精度；而当针尖与溶液表面距离大于一个波长的时，处于远场范围，此时接收不到隐失波的。

附图说明

图1：本发明的方法流程图

图2：本发明的装置图：将样品4放到样品台5上，在光源2的照射下，通过观察CCD5调整谐振腔1的高度，设置控制器的进程和测量距离就可以进行测量。6为位移台，调整样品到谐振腔的距离，7为矢量网络分析仪，获取微波的特征信息，8为数据采集卡，获取样品的位移信息，9是计算机，进行数据的分析处理。

图3：微波信号原理图，矢网内置合成信号源产生微波信号，经过S参数测试装置分成两路，一路作为参考信号，另一路作为激励信号，激励信号经过被测件后产生反射信号和传输信号，由S参数测试装置进行分离，三路射频信号在幅相接收机中进行下变频，产生4kHZ的中频信号，由于采用系统锁相技术，合成扫频信号源和幅相接收机同在一个锁相环路中共用同一时基，因此被测网络的幅度信息和相位信息包含在4kHz的中频信号中，此中频信号经AD变换器转换为数字信号，嵌入式计算机和数字信号处理器(DSP)从数字信号中提取被测网络的幅度信息和相位信息，通过比值运算求出被测网络的S参数，最后把测试结果以图形或数据的形式显示在液晶屏幕上。

图4：微流体的实验示意图

图5：实验结果图，(a)图是对0.1mol NaCl溶液，沿x位移台线扫描获得的微波反射S11参数；(b)图是浓度从0.1mol/L到1mol/L(以0.1mol/L递增)、2mol/L、3mol/L、4mol/L变化,其中由下至上的曲线对应的为由下至上的浓度；(c)图是不同浓度的NaCl溶液和在同一高度时微波近场获得的S11之间的关系(正相关，非线性关系)；

图6：从1处的溶液注入孔注入药物到微流器中，2为密封层，3是盛放溶液的凹槽，其宽度为1.2um，小于步进值，利于进行线性扫描，4是聚合物材料，作为衬底。

具体实施方式

实施例1：

(1)配制样品，用去离子水+分析纯NaCl配制0.1mol/L NaCl溶液，用注射器将5ml确定浓度Nacl溶液注入到PET的微流容器中，将PET微流容器放到样品台上。

(2)按照图2所示的装置，通过观察CCD，对针尖进行绝缘处理，先轻接触待测药物溶液，使得对应的S11为零，在下调位移平台到固定高度作为原点。

(3)调节近场微波装置的探针距离样品0.2λ的高度,其中λ表示信号波长，设置控制器调节进程为4.7625um、设置控制器为水平方向线扫描和测量距离为3mm；

(4)由微波发生器发送小功率微波信号，此次使用频率为2.3GHz的微波信号作为实验信号的频率。耦合到针尖处，和待测药物溶液样品产生相互作用后返回到数据处理系统。得到散射参数、距离和0.1mol/L NaCl溶液对应的曲线，如图5(a)。

(5)把浓度从0.2mol/L到1mol/L(以0.1mol/L递增)、2mol/L、3mol/L、4mol/L变化，按照(1)到(4)的步骤重复实验，得到不同浓度的散射参数和相应浓度溶液对应的曲线，如图5(b)。即建立了散射参数、距离与相应浓度溶液一一对应的参数数据库。

(6)任意配置一种未知浓度的NaCl溶液，按照(1)到(4)的步骤重复实验,得到散射参数、距离和未知浓度的NaCl溶液对应的参数曲线，把此参数曲线和(5)中得到的数据库对比即可得到未知浓度的NaCl溶液的浓度。

实施例2：

(2)通过观察CCD，对针尖进行绝缘处理，先轻接触待测药物溶液，使得对应的S11为零，在下调位移平台到固定高度作为原点。

(3)调节近场微波装置的探针距离样品合适0.4λ的高度，设置控制器调节进程为4.7625um、设置控制器为水平方向线扫描和测量距离为3mm；

(4)由微波发生器发送小功率微波信号，此次使用频率为8GHz的微波信号作为实验信号的频率。耦合到针尖处，和待测药物溶液样品产生相互作用后返回到数据处理系统。得到散射参数、距离和0.1mol/L NaCl溶液对应的曲线。

(5)把浓度从0.2mol/L到1mol/L(以0.1mol/L递增)、2mol/L、3mol/L、4mol/L变化，按照(1)到(4)的步骤重复实验，得到不同浓度的散射参数和相应浓度溶液对应的曲线。即建立了散射参数、距离与相应浓度溶液一一对应的参数数据库。

实施例3：

(3)调节近场微波装置的探针距离样品0.6λ的高度，设置控制器调节进程为4.7625um、设置控制器为水平方向线扫描和测量距离为3mm；

(4)由微波发生器发送小功率微波信号，此次使用频率为18GHz的微波信号作为实验信号的频率。耦合到针尖处，和待测药物溶液样品产生相互作用后返回到数据处理系统。得到散射参数、距离和0.1mol/L NaCl溶液对应的曲线。

Claims

1.一种利用近场微波显微镜对药物进行示踪的方法，该方法包括：

2.如权利要求1所述的一种利用近场微波显微镜对药物进行示踪的方法，其特征在于所述步骤1中，当微波信号的频率为3GHz时，探针距离样本溶液表面的距离为0.2λ,其中λ表示信号波长；当微波信号的频率为8GHz时；探针距离样本溶液表面的距离为0.4λ；当微波信号的频率为18GHz时，探针距离样本溶液表面的距离为0.6λ。

3.如权利要求1所述的一种利用近场微波显微镜对药物进行示踪的方法，其特征在于所述放大处理后的信号分为反射回波信号和透射回波信号的方法为：利用接收到两路信号的相位差进行分离，相位低的为反射信号，相位高的为透射信号。

4.一种用于权利要求1所述方法的近场微波显微镜对药物进行示踪装置，其中包括：探针、四分之一波长同轴谐振腔、数据发射和采集单元组、三维位移台、数据处理单元组；其中所述探针为金属探针，探针耦合到四分之一波长同轴谐振腔；所述数据发射和采集单元组的作用为产生微波信号和探测微扰近场微波信号，建立浓度参数数据库；所述三维位移台的作用为移动探针，使探针针尖到液体样品的距离小于一个波长，保证处于近场范围；数据处理单元组的作用为发出控制指令和对探测到的参数进行反演匹配得到未知浓度溶液的浓度。