CN111307780B - 一种用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置，该装置包括基底、正常样品输入端、正常样品输出端、待测样品输入端、待测样品输出端、待测样品微通道、正常样品微通道、全光纤PH探头、CCD观测器、微流泵、光学处理器。其中，全光纤PH探头由微纳光纤环，PH功能聚合物分散量子点和传导光纤构成。该装置集成了微纳米光纤环、新型纳米功能材料，提高了癌症细胞早期筛查中对微弱特征信号的探测能力，同时提供了一种可视化的癌变细胞可视化监测方法。

Description

一种用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置

技术领域

本发明属于光纤技术领域，涉及一种基于弯曲微纳光纤、荧光纳米材料和光电集成流控装置，以实现对癌变细胞的前期检测和筛查的方法，具体涉及一种用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置。

背景技术

光纤传感器具有高分辨率、耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，因此，将光纤应变传感器运用于检测技术已成为近几十年来各国学者研究的热点。

先后出现过许多不同类型的光纤传感器，对于光纤pH传感器的研究在近年来得到了广泛关注。通过监测体液或血液中的PH值，可以间接实现对潜在疾病，尤其是糖尿病、心脑血管疾病和癌症的前期诊断。最早出现、最典型的光纤pH传感器是比色分析技术与光纤技术的直接结合。近年来，在探头的设计制作、载体的选择及其固定方法、以其结构设计等方面不断有新的进展。由于光纤pH传感器可以实现微型化，从而可用于人体内pH值的测量和对活体组织细胞、毛细血管、癌细胞等的分析，这是其他pH传感器所不具备的优势。光纤pH传感器是将pH指示剂渗入多孔聚合物中，从而制成传感器的敏感部件。当被测溶液与敏感部件接触后将改变敏感部件的光谱特性，通过严格标定，便可提出传感器光学特性与相应溶液pH值的对应关系，通过测量光学性能的变化便可以得到对应溶液的pH值。

传统的光纤pH传感器存在着一些问题，如：pH测量范围受指示剂敏感范围限制，传感器所用固定试剂的长期稳定性，传感膜的使用寿命和传感器的测量精度等很大程度上限制了光纤pH传感器的实际应用与推广。并且，在将光纤pH传感器应用于医学领域和临床试验时，传感器与人体的兼容性也是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明提出一种用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置，解决了目前癌症前期诊断和筛查阶段存在的检测技术复杂、所需设备昂贵、检测周期长的问题，有望实现对癌变细胞的在线检测。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置，包括基底和至少两级监测单元；其中，一组监测单元是正常样品监测单元，由正常样品输入端、正常样品输出端、正常样品的微通道、正常样品的全光纤PH探头、正常样品的CCD观测器、正常样品的微流泵、正常样品的光学处理器；另一组监测单元是待测样品监测单元，由待测样品输入端、待测样品输出端、待测样品微通道、待测样品的全光纤PH探头、待测样品的CCD观测器、待测样品的微流泵、待测样品的光学处理器；

其中，每一组监测单元中，全光纤PH探头都由环状的微纳光纤环、PH功能聚合物分散量子点和传导光纤构成，PH功能聚合物分散量子点分布在微纳光纤环上，传导光纤与微纳光纤环结合；所述的微纳光纤环的材料为二氧化硅；为了有效激发光学倏逝场，组成微纳光纤环的微纳光纤直径小于1μm，光纤环直径为2mm；进入微纳光纤环的光信号一部分在光纤内传输，另一部分在光纤外部以倏逝场形式传输，二个光信号在微纳光纤环和传导光纤的结合处会产生干涉光谱，同时环形结构的谐振效应能提高监测系统的信噪比。

正常样品和疑似含有癌细胞的待测样品分别通过微流泵，分别经由正常样品输入端和待测样品输入端注入正常样品微通道和待测样品微通道，样品流经全光纤PH探针时，通过CCD观测器观察到各自荧光强度的变化情况，通过强度对比，并结合光学处理器得到干涉光谱的强度ΔP和相位Δλ变化信息，以此确定PH值的大小，推断癌症细胞的病变情况。

此装置的核心部件为全光纤PH探针，其传感原理为全光纤PH探针根据微纳米光纤固有的倏逝场效应，进入传导光纤的激发光在到达微纳光纤环时，大部分光将沿着微纳光纤环外部传输，同时激发PH功能聚合物分散量子点产生荧光。

同时，PH功能聚合物分散量子点是由对PH敏感的聚合物材料为主体，内部掺杂半导体量子点，在光纤内光信号激发下产生荧光信号，PH功能聚合物材料只对外界PH值变化敏感，具体表现为当探头外部PH值发生变化时，它的体积将出现膨胀，从而带动半导体量子点远离微纳光纤环的纤芯，导致PH功能聚合物分散量子点的荧光信号产生强弱变化，通过CCD观测器实现对PH值的可视化观测，并且在光学处理器内综合分析干涉光谱的功率及相位的变化信息和荧光强弱，提高环境PH值的检测的精确度，减小监测误差。

光学处理器用于监测并对比待测输出端和正常样品输出端的干涉光谱的强度ΔP和相位Δλ的变化信息，同时综合分析CCD观测器采集的荧光信号强弱，通过特征光信号分析获得PH值的大小，间接推断癌症细胞的病变情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.提出基于微纳米光纤环、新型纳米功能材料，构建在线癌变细胞监测装置，以期实现对癌变细胞的前期诊断和筛查；

2.提出利用微纳光纤环的强倏逝场效应、谐振增强效应实现信噪比增强，提高对待测量变化引起的微弱信号的探测能力；

3.提出利用功能聚合物材料和荧光量子点相结合，提高传感探头的选择性识别能力，同时提供了一种可视化的癌变细胞可视化监测方法。

附图说明

图1为一种用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置。

图2为全光纤PH探针的结构示意图。

图中：1基底；2正常样品输入端；3正常样品输出端；4待测样品输入端；5待测样品输出端；6待测样品微通道；7正常样品微通道；8全光纤PH探针；9CCD观测器；10微流泵；11光学处理器；12微纳光纤环；13PH功能聚合物分散量子点；14传导光纤。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施例。

实施例1

如图所示，一种用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置，包括基底1，正常样品输入端2，正常样品输出端3,待测样品输入端4，待测样品输出端5，待测样品微通道6，正常样品微通道7，全光纤PH探头8，CCD观测器9，微流泵10，光学处理器11。其中，全光纤PH探头8由微纳光纤环12，PH功能聚合物分散量子点13和传导光纤14构成。在采用本装置进行癌变细胞分析前，需要先将制备好的pH测量探头装入监测装置，整个装置的工作过程如下：正常样品和疑似含有癌细胞的待测样品分别通过微流泵10，经由正常样品输入端2和待测样品输入端4注入正常样品微通道7和待测样品微通道6，样品流经PH探针8时，正常样品的PH值固定，不会引起PH探针8上PH功能聚合物分散量子点13内部功能聚合物体积的改变，因而发出的荧光强度不变，可以作为背景信号；当待测样品的PH值发生变化时，引起PH探针8上PH功能聚合物分散量子点13内部功能聚合物体积发生溶胀变化，功能聚合物内分布的半导体量子点分布产生变化，影响荧光强度的变化。上述过程中可通过CCD观测器9观察到各自荧光强度的变化情况，通过强度对比，初步定性判断PH值的变化情况。光学处理器11可以获得经过全光纤PH探针8后的光信号功率及相位的变化信息，由于光信号在全光纤PH探针8完成PH值检测的过程中需要激发半导体量子点产生荧光信号，会发生功率的变化ΔP，所激发荧光光谱也会影响光信号产生相位变化Δλ，通过分析ΔP和Δλ，即可确定PH的具体值，间接推断以PH为标记物的相关癌症细胞的病变情况。

此装置的核心部件为全光纤PH探针8，其传感原理为进入传导光纤14的激发光在到达微纳光纤环12时，由于微纳米光纤固有的倏逝场效应，大部分光将沿着微纳光纤环12外部传输，同时激发PH功能聚合物分散量子点13产生荧光。微纳光纤环12的材料为二氧化硅，为了有效激发光学倏逝场，组成微纳光纤环12的微纳光纤直径应小于1μm，光纤环直径为2mm，进入微纳光纤环12的光信号一部分在光纤内传输，一部分在光纤外部以倏逝场形式传输，二者在微纳光纤环12和传导光纤14的结合处会产生干涉光谱，同时环形结构的谐振效应可提高监测系统的信噪比；同时，PH功能聚合物分散量子点13是由对PH敏感的聚合物材料聚丙基酸为主体，内部掺杂半导体量子点，如CdSe，掺杂的质量浓度为5％-20％，保证荧光强度足够观测的同时，使半导体量子点间有足够的空隙，当PH敏感聚合物材料聚丙基酸由于PH值不同作用其结构网络，产生体积溶胀变化时，半导体量子点的分布可以产生明显变化。半导体量子点可在光纤内光信号激发下产生荧光信号，PH功能聚合物材料只对外界PH值变化敏感，具体表现为当探头外部PH值发生变化时，它的体积将出现膨胀，从而带动半导体量子点远离微纳光纤环12的纤芯，导致PH功能聚合物分散量子点13的荧光信号产生强弱变化，可通过CCD观测器9实现对PH值的可视化观测，并且可以在光学处理器11内综合分析干涉光谱的功率及相位的变化信息和荧光强弱提高环境PH值的检测的精确度，减小监测误差。

Claims (5)

1.一种用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置，包括基底和至少两组监测单元；其特征在于，

所述的两组监测单元中，其中一组监测单元是正常样品监测单元，包括正常样品输入端、正常样品输出端、正常样品的微通道、正常样品的全光纤pH探头、正常样品的CCD观测器、正常样品的微流泵、正常样品的光学处理器；

另外一组监测单元是待测样品监测单元，包括待测样品输入端、待测样品输出端、待测样品微通道、待测样品的全光纤pH探头、待测样品的CCD观测器、待测样品的微流泵、待测样品的光学处理器；

其中，两组监测单元中，所述的全光纤pH探头都由环状的微纳光纤环(12)、pH功能聚合物分散量子点(13)和传导光纤(14)构成，pH功能聚合物分散量子点分布在微纳光纤环上，传导光纤与微纳光纤环结合；所述的pH功能聚合物分散量子点(13)是由对pH敏感的聚合物材料聚丙基酸为主体，内部掺杂半导体量子点，在光纤内光信号激发下产生荧光信号，pH功能聚合物材料只对外界pH值变化敏感；

正常样品和疑似含有癌细胞的待测样品分别通过微流泵，分别经由正常样品输入端和待测样品输入端注入正常样品微通道和待测样品微通道；样品流经全光纤pH探针时，通过CCD观测器观察到各自荧光强度的变化情况，通过强度对比，并结合光学处理器得到干涉光谱的强度ΔP和相位Δλ变化信息，确定pH值的大小，推断癌症细胞的病变情况。

2.根据权利要求1所述的用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置，其特征在于，所述的微纳光纤环的材料为二氧化硅。

3.根据权利要求1或2所述的用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置，其特征在于，组成微纳光纤环的微纳光纤直径小于1μm，光纤环直径为2mm。

4.根据权利要求3所述的用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置，其特征在于，当探头外部pH值发生变化时，它的体积将出现膨胀，从而带动半导体量子点远离微纳光纤环(12)的纤芯，导致pH功能聚合物分散量子点(13)的荧光信号产生强弱变化，通过CCD观测器(9)实现对pH值的可视化观测，并且在光学处理器(11)内综合分析干涉光谱的功率及相位的变化信息和荧光强弱，提高环境pH值的检测的精确度，减小监测误差。

5.根据权利要求1所述的用于分辨癌变细胞的全光纤pH值监测装置，其特征在于，全光纤pH探针(8)根据微纳米光纤固有的倏逝场效应，进入传导光纤(14)的激发光在到达微纳光纤环(12)时，大部分光将沿着微纳光纤环(12)外部传输，同时激发pH功能聚合物分散量子点(13)产生荧光。

Images