CN111220575A - 一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法 - Google Patents

一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，属于细胞检测领域。该方法包括：S1：选择近场探测系统；S2：选择探测模式；S3：已知细胞样品测试；S4：建立细胞数据库；S5：处理待测样品；S6：待测样品测试；S7：分析数据，识别细胞状态。本发明无需标记处理，对细胞无损伤；系统操作简单，检测速度快；基于光谱检测，其结果客观准确；不仅能进行病变细胞与正常细胞的识别，还能进一步分析细胞的生理状态。

Description

一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法
技术领域
本发明属于细胞显微检测领域，涉及一种基于太赫兹近场光谱识别病变细胞与正常细胞的细胞检测方法。
背景技术
细胞是组成人体组织和器官的基本单元，其尺寸一般在微米级尺度。现有研究表明单个细胞的个体特性与组织的群体特征是有明显差异的，然而病变组织区域的细胞状态及相关蛋白的表达水平可能仅由一部分甚至少数几个细胞的表达决定的。因此，将人类生物学研究深入到单细胞水平，有助于得到丰富而准确的信息、预测人体的基本生命活动规律以及确定临床上进行的诊疗及预后方案。单细胞研究的首要前提是实现对单个病变细胞的识别，传统的病变细胞识别方法有其不可忽视的缺陷；如借助显微操纵仪直接分离方法，可控性高，但该方法比较耗时，其结果依赖于操作人员的经验判断而存在主观性偏差；免疫细胞化学技术以及流式分离术准确性高，但需要进行荧光标记处理，而且后者在分选过程中细胞的生理特性会受到流体压力、激光刺激等影响，对细胞造成损伤，从而影响细胞的下一步分析；
太赫兹波是一种特定波段(波数范围：3.3～333cm-1)的电磁辐射，在细胞检测中具有以下优势：(1)太赫兹脉冲单光子能量较低，不会对细胞样品产生光致电离，是一种很好的无损探测方法；(2)大多数生物分子的骨架振动、转动光谱以及分子间弱的相互作用力能级处在太赫兹谱段范围内，因此太赫兹波能够与所探测生物分子产生共振吸收，从而获得所探测生物分子的特征曲线；(3)不同细胞或细胞的不同状态对太赫兹的响应会有所不同，因此无需标记，可通过不同的响应对病变细胞进行区分。传统的太赫兹光谱探测系统受光斑大小限制，一般为毫米级，无法对细胞进行精确检测，而近场太赫兹系统可突破限制，达到微米级空间分辨率；因此太赫兹近场光谱系统可以作为细胞状态探测的有用工具。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，用于准确识别病变细胞与正常细胞，并能进一步分析细胞的生理状态。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，具体包括以下步骤：
S1：选择近场探测系统；
S2：选择探测模式；
S3：已知细胞样品测试；
S4：建立细胞数据库；
S5：处理待测样品；
S6：待测样品测试；
S7：分析数据，识别细胞状态。
进一步，步骤S1中，所述近场探测系统是基于光电导微探针、波导或孔径光阑等直接近场探测系统以及基于扫描探针显微镜与太赫兹联用的间接近场高分辨探测系统。
进一步，步骤S2中，所述探测模式包括：透射式、反射式或散射式近场探测；其中，透射式近场探测模式是太赫兹发射端与探测端位于样品异侧；反射式近场探测模式为太赫兹发射端与探测端位于样品同侧；散射式近场探测模式是待测样品与探针尖端产生偶极子效应，将其看作一个整体，接收到的信号为太赫兹与整体作用之后的散射信号。
进一步，步骤S3中，所述细胞包括正常细胞和病变细胞；其中，病变细胞是正常细胞发生病理改变后的细胞，可以是脑肿瘤细胞，肺癌细胞等肿瘤细胞以及水肿细胞等。
进一步，步骤S4中，所述建立细胞数据库具体包括：利用太赫兹近场光谱系统收集正常与病变细胞的太赫兹光谱，并建立相应的数据库。
进一步，步骤S5中，处理待测样品具体包括：在显微镜下用微滴管吸取几个需要检测的细胞，转移至太赫兹基片上，将滴有待测细胞的太赫兹基片置于太赫兹近场时域光谱系统的样品台上。
进一步，步骤S6中，所述待测样品测试具体包括运行太赫兹近场光谱探测系统，采集待测样品的太赫兹光谱。
进一步，步骤S7中，所述分析数据，识别细胞状态具体包括：通过对比待测细胞与正常细胞的太赫兹波谱差异，判断待测细胞是否为病变细胞；然后对待测细胞的太赫兹波谱进行分析，计算吸收率、折射率或反射率等介电参数，与正常细胞的太赫兹波谱的介电参数进行对比，分析得出待测细胞所处的生理状态等。
进一步，步骤S7中，待测样品的太赫兹波谱介电参数计算公式为：
Figure BDA0002374284910000021
Figure BDA0002374284910000022
Figure BDA0002374284910000023
其中，n(ω)为样品折射率，ΔΦ为透过样品信号与参考信号相位差，c为光速，ω为光谱角频率，d为细胞高度，p(ω)为透过样品信号与参考信号的频率谱比值，α(ω)为样品的太赫兹吸收系数，r(ω)为样品的反射率，E2为样品的反射信号频率谱，E1为样品的参考信号频率谱。
本发明的有益效果在于：本发明提供的基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，具体具有如下优点：
1)无需标记处理，对细胞无损伤；
2)系统操作简单，检测速度快；
3)基于光谱检测，其结果客观准确；
4)不仅能进行病变细胞与正常细胞的识别，还能进一步分析细胞的生理状态。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述的细胞检测方法流程图；
图2为太赫兹透射式探测模式示意图；
图3为太赫兹反射式探测模式示意图；
图4为太赫兹散射式探测模式示意图；
图5为太赫兹近场高分辨检测病变细胞装置示意图；
附图标记：1、太赫兹源；2、太赫兹接收探测器；3、待测细胞样品；4、太赫兹基片；5、散射式探针；6、控制电脑；7、太赫兹近场光谱系统；8、样品台。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明优选一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法的实施例，在本实施例中，选用透射式太赫兹近场时域光谱系统，装置图如图5所示。
如图1所示，本实施例方法具体包括以下步骤：
1、样品制备
在显微镜下用微滴管吸取几个需要检测的细胞，转移至太赫兹基片上，将滴有待测细胞的太赫兹基片置于太赫兹近场时域光谱系统的样品台上。
如图2所示，在透射式模式下，基片选取为聚四氟乙烯塑料板等对太赫兹几乎透明的材料；
如图3或图4所示，在反射式或散射式模式下，基片选取为铝板等对太赫兹高度反射的金属材料。
2、建立数据库
制备正常细胞及病变细胞样品，运行太赫兹近场时域光谱系统采集光谱，每个样品重复3～5次，将获取的时域光谱进行傅里叶变换得到样品的太赫兹频域光谱；并根据此方法，采集大量正常细胞与病变细胞的太赫兹光谱时域数据及频域数据，建立太赫兹正常细胞与病变细胞波谱数据库。
3、制备及测试待测样品
制备待测细胞样品，运行太赫兹近场时域光谱系统采集光谱，每个样品重复3～5次，将获取的时域光谱进行傅里叶变换得到样品的太赫兹频域光谱；
4、数据分析，识别细胞状态
将测试细胞的太赫兹光谱与数据库中参考光谱数据进行对比(主要包括峰值对比，特征峰对比等)，从而确定出待测样品是否为病变细胞。对光谱进行分析，计算太赫兹波吸收率、折射率等介电参数，并与正常细胞的太赫兹介电参数进行对比，进一步分析细胞所处的生理状态。
Figure BDA0002374284910000051
Figure BDA0002374284910000052
其中，n(ω)为样品折射率，ΔΦ为透过样品信号与参考信号相位差，c为光速，ω为光谱角频率，d为细胞高度，p(ω)为透过样品信号与参考信号的频率谱比值，α(ω)为样品的太赫兹吸收系数。
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 (8)

1.一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：选择近场探测系统；
S2：选择探测模式；
S3：已知细胞样品测试；
S4：建立细胞数据库；
S5：处理待测样品；
S6：待测样品测试；
S7：分析数据，识别细胞状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，其特征在于，步骤S1中，所述近场探测系统是基于光电导微探针、波导或孔径光阑的直接近场探测系统以及基于扫描探针显微镜与太赫兹联用的间接近场高分辨探测系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，其特征在于，步骤S2中，所述探测模式包括：透射式、反射式或散射式近场探测；其中，透射式近场探测模式是太赫兹发射端与探测端位于样品异侧；反射式近场探测模式为太赫兹发射端与探测端位于样品同侧；散射式近场探测模式是待测样品与探针尖端产生偶极子效应，将其看作一个整体，接收到的信号为太赫兹与整体作用之后的散射信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，其特征在于，步骤S3中，所述已知细胞样品包括正常细胞和病变细胞；其中，病变细胞是正常细胞发生病理改变后的细胞。
5.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，其特征在于，步骤S4中，所述建立细胞数据库具体包括：利用太赫兹近场光谱系统收集正常与病变细胞的太赫兹光谱，并建立相应的数据库。
6.根据权利要求4所述的一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，其特征在于，步骤S5中，处理待测样品具体包括：在显微镜下用微滴管吸取几个需要检测的细胞，转移至太赫兹基片上，将滴有待测细胞的太赫兹基片置于太赫兹近场时域光谱系统的样品台上。
7.根据权利要求5所述的一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，其特征在于，步骤S7中，所述数据分析具体包括：通过对比待测细胞与正常细胞的太赫兹波谱差异，判断待测细胞是否为病变细胞；然后对待测细胞的太赫兹波谱进行分析，计算吸收率、折射率或反射率，与正常细胞的太赫兹波谱的介电参数进行对比，分析得出待测细胞所处的生理状态。
8.根据权利要求7所述的一种基于太赫兹近场光谱的细胞检测方法，其特征在于，待测样品的太赫兹波谱介电参数计算公式为：
Figure FDA0002374284900000021
Figure FDA0002374284900000022
Figure FDA0002374284900000023
其中，n(ω)为样品折射率，ΔΦ为透过样品信号与参考信号相位差，c为光速，ω为光谱角频率，d为细胞高度，p(ω)为透过样品信号与参考信号的频率谱比值，α(ω)为细胞样品的太赫兹吸收系数，r(ω)为样品反射信号E2与参考信号E1的频率谱比值。
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