CN111665349A - 一种用于血液巡航的纳米生物监测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可用于血液巡航的纳米生物监测器。该纳米生物监测器包括巡航部件、监测部件、传感部件、骨架部件。通过分子马达带动整个检测器在血液中巡航，实时监测血液中的生化参数，其中，此纳米生物监测器应急检测血液抗原具有较高的响应频率和极快的响应时间，且不同的癌抗原所用的适配体不同，之间互不影响，具有特异性。监测探针通过电信号传达给传感部件后至AR设备主机单元，若参数超过匹配范围，AR显示单元便被激活，通过AR设备上显示各参数信息。本发明采用AR技术进行人体血液的远程监控，及时直观，便于向医生实时弹出图像信息，医生据此警告做出诊断并及时联系病人进行治疗。

Description

一种用于血液巡航的纳米生物监测器
技术领域
本发明涉及纳米生物传感器及AR显示技术领域，具体地，涉及一种用于 血液巡航的纳米生物监测器。
背景技术
90％的早期癌症是没有明显症状的，我国80％的癌症患者确诊时即属于中 晚期，而癌症发展到晚期，5年生存率极低，晚期肺癌一般存活期只有1年， 肝癌晚期出现黄疸和腹水存活期为1个月至3个月。以死亡率仅次于肺癌和肝 癌的胃癌来说，如果病变早期发现，术后五年生存率可达到85％至95％，但这 仅占我国胃癌患者的近一成，这意味着，许多患者发现时已经错过最佳治疗时 期。因此，早期诊断，及早治疗，及时控制病情是治疗癌症的关键。肿瘤标志 物是反应肿瘤存在和生长一类重要的生化物质，在癌症的诊断、疗效观察、监 测复发中发挥着非常重要的作用。
传统的肿瘤标志物的生物监测，它的结果是分为阳性和阴性。阳性表示受 检测者体内可能有肿瘤，阴性表示受检测者体内可能还没有肿瘤。但是它的检 查结果只能得到受检测者是否存在肿瘤的结果，并没有办法得知受检测者肿瘤 的位置。而且假阳性率和假阴性率相对较高，所以目前在临床上，有很多的监 测出癌症阳性结果的患者，继续做了多次临床检查，同样找不到肿瘤的病灶， 所以这种传统的肿瘤监测方法的确发现的早，但是并不能做到早诊断、早治疗。
纳米生物传感机器是一种进行核酸和蛋白质快速检测的纳米生物机器，它 是由多个维度和材质的无机纳米结构与多种生物分子组装组成，实现识别捕获、 信号转导和级联放大等功能的集成，从而可以在单体系中一步实现生物检测的 主要步骤。传统的纳米生物传感器往往仅仅是一种纳米材料与一种生物分子(识 别元件)的复合，因而难以实现功能的集成。
AR技术即增强现实技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟场景叠加在 现实场景中并进行互动，不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟信息同时显 示出来，两种信息相互补充、叠加。实时进行信息的接收和提醒。
发明内容
本发明的目的就是为了解决以上检测血液肿瘤标记物传统方法的不可信性 的问题，从而提供了一种用于血液巡航的纳米生物监测器及其AR式应急显示 的方法，利用纳米生物传感器实时监测血液中健康情况，并将信号传送到AR 设备并应急显示，医生根据实时收到的病人信息确定其病灶部位，并即时联系 病人进行进一步检测和治疗。
为了实现以上目的，本发明采用如下的技术方案：
用于血液巡航的纳米生物检测器，包括：骨架部件、巡航部件、监测部件 以及传感部件。
所述的巡航部件，为三链DNA分子马达。此分子机器不仅是结构材料， 还有自身提供动力的作用，其由三条寡核苷酸链A、B、C杂交形成钳状。通过 另一辅助的DNA链来实现其开关，其中一条寡核苷酸链F与B、C链的悬空端 杂合，将钳状分子闭合，随后，通过F的互补链
Figure BDA0002542506650000031
将钳状分子打开，以此循环， 从而达到巡航运动的作用。
所述的监测部件，利用骨架部件纳米结构表面，控制多种生物分子在纳米 结构表面不同区域的精确组装，装配成具有一个结构多个功能区。其每个功能 区都包括：识别捕获区、信号传导区、级联放大区。其中每个识别捕获区域在 组装生物识别元件后可以特异性地捕获相对应的肿瘤特异性蛋白分子，包括血 清甲胎蛋白(AFP)、癌抗原242(CA242)、癌抗原125(CA125)、癌抗原153(CA153)、 癌抗原724(CA724)信号转导区域可以通过纳米线/纳米管的光电效应将生物识 别过程转换成光或电信号，并有可能实现多种信号的同时输出以提高信号特异 性；级联放大部分可以通过纳米结构表面的多种酶反应实现信号倍增，提高检 测灵敏度。并将所得的光或者电信号传送给传感部件。
所述的传感部件，为无线传感芯片。其包括采集单元和通信单元。采集单 元作用是与监测部件接触，通过信号传导采集各探针的信号，并转化成生化参 数后通过通信单元将上述各参数汇总传输至AR设备。
所述的骨架部件，为介孔纳米二氧化硅。用于对其他部件的支撑和保护。 其呈现均匀的球体，其中所述介孔二氧化硅的粒径在30nm至90nm范围内，优 选50nm至80nm范围内。
纳米生物监测器在应急检测血液抗原具有较高的响应频率和极快的响应时 间，且不同的癌抗原所用的适配体不同，之间互不影响，具有特异性。按照响 应时间来看，其为31min-1。
用于AR应急显示的部件，包括：AR设备的主机单元和显示单元。
所述的主机单元，通过wifi接收上述传感部件中通信单元发射的信号，并 对各参数进行处理。其中，处理原理所述如下：血清甲胎蛋白(AFP)超出阈值， 预示原发性肝癌的发生；癌抗原242(CA242)超出阈值，预示胰腺癌与胆囊癌的 可能发生；癌抗原125(CA125)超出阈值，预示卵巢癌的可能发生；癌抗原 153(CA153)超出阈值，预示乳腺癌的可能发生；癌抗原724(CA724)超出阈值， 预示胃癌的可能发生。主机单元整合从每个病人血液中的巡航纳米生物监视器 的信号信息以及其数据库中病人的个人信息及各参数匹配的生化指标范围，若 参数经处理后有上述任一超过匹配范围的情况，显示单元立即被激活。如果各 参数均在匹配范围内，显示单元沉默。
所述的显示单元，投射接收到的参数信息和图表及图像等信息。包括病人 的个人信息、以往病例、患病部位以及实时接收到的各参数生化指标，并结合 纳米生物监测器所处病灶位置的实时图像，向医生发出警告。此时无论医生处 于何时何地，无论正在进行何种事务，AR的显示单元以显示屏的形式立刻出 现在医生的面前。
本发明涉及一种用于血液巡航的纳米生物监测器及其AR式应急显示的方 法，通过巡航实时监测血液中的生化指标，并通过信号传送给AR部件，如遇 到紧急情况，病人的生化信息联合病灶部位的图像并整合其个人信息，立即准 确地显示给医生。
与现有技术相比，本发明设计合理，同时有很大的发展空间，本技术地广 泛应用，将实现早期诊断，及早治疗，及时控制病情，减少病人患病后化疗等 治疗地痛苦，同时给家庭以及国家减少很大程度的医疗花销，提高国民的健康 和生活指数。
附图说明
图1为本发明中纳米生物检测器的骨架部件；
图2为本发明中具体实施方法流程示意图。
具体实施方式
随着纳米技术的日益发展，该技术在医学上也开始逐渐使用。纳米级生物 可以在血管中自由运动，可输送到生物的各个部位，可以用来监测和诊断疾病， 基于上述的超微粒子的功能，根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制 造可对纳米空间进行操作的功能分子器件。其具有识别蛋白的功能，对特定的 靶细胞产生特异性效果，主要用于难以救治的疾病的早期诊断。
下面对本发明的实施方法做详细说明，本实施方法在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施方法。
如图1所示，本实施方法的骨架部件为介孔二氧化硅纳米材料。其中监测 部件镶嵌在其表面，传感部件包载在其核心，巡航部件连接在其表面。其呈现 均匀球体，其中所述介孔二氧化硅的粒径在30nm至90nm范围内，优选50nm 至80nm范围内。
如图2所示，本实施方法中纳米生化检测器模块包括：骨架部件、巡航部 件、监测部件以及传感部件。其中，骨架部件作为体系支撑，巡航部件作为运 动单元，进行巡航。监测部件通过与特异性蛋白的结合，将生化信号传导给传 感部件，并通过wifi信号传送给AR显示部件。
所述的巡航部件为三链DNA分子马达。
所述的监测部件为监测血清甲胎蛋白(AFP)、癌抗原242(CA242)、癌抗原 125(CA125)、癌抗原153(CA153)、癌抗原724(CA724)的各探针区域。
所述的传感部件为无线传感芯片。其包括采集单元和通信单元。
如图2所示，本实施方法中AR式应急显示模块包括：AR设备的主机单元 和显示单元。
所述的主机单元，通过wifi接收上述传感部件中通信单元发射的信号，并 对各参数进行处理。其中，处理原理所述如下：血清甲胎蛋白(AFP)超出阈值， 预示原发性肝癌的发生；癌抗原242(CA242)超出阈值，预示胰腺癌与胆囊癌的 可能发生；癌抗原125(CA125)超出阈值，预示卵巢癌的可能发生；癌抗原 153(CA153)超出阈值，预示乳腺癌的可能发生；癌抗原724(CA724)超出阈值， 预示胃癌的可能发生。主机单元整合从每个病人血液中的巡航纳米生物监视器 的信号信息以及个人信息及各参数生化指标，若参数经处理后有以上任一情况， 都将立即弹出在显示单元上。如果各参数均在匹配范围内，显示单元沉默。
所述的显示单元，投射接收到的的参数信息、图表及图像等信息。
本发明的方法具体而言，包括以下步骤：
A.分子马达的巡航部件带动整个体系，在血液中自由穿梭。在运动中，监 测部件中各区域探针与特异性肿瘤标志物蛋白发生作用。
B.监测部件捕获相对应的肿瘤特异性蛋白后，通过信号传导和级联放大的 作用，将电信号传递给传感部件，并将捕获的蛋白释放。
C.传感部件接收到监测部件的信号，并通过wifi将此信号传送至AR式应 急显示模块的AR设备主机单元，主机单元根据接收到的信号对所得的生化参 数做出判断，如果，在匹配范围内，判定为健康，纳米生化检测器继续进行巡 航与信号的传送。
D.若AR主机接收到的信号未在匹配范围内，判定为不健康，主机单元便 将整合每个病人血液中的巡航纳米生物监视器的信号信息以及个人信息及各参 数生化指标，立即准确的显示给医生，包括病人的姓名、联系方式、原患病情 况或所携带的遗传病等、最近一次体检的状况、目前经由巡航纳米生物监视器 的应急生化参数、标准区域生化参数、所属患病情况等信息，以图像和表格的 形式弹出在医生面前。
E.医生根据生化指标信息的判决，及时联系病人进行进一步监测或治疗。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例用于说明纳米生物监测器中应急检测血液抗原的能力。
(1)分子适配体和主客体相互作用的检测纳米孔的制备
3.3μL含炔基端链的DNA(100μM)，1.2μL去离子水，2μL溶于乙腈中的叠 氮化二茂铁基烷基醚(200mM)，1μL 20μM抗坏血酸钠，0.5μL 20μM硝酸铜， 加入到2μL 100mM的缓冲液中，最终浓度为10u1，在室温下孵育2小时，最 终将乙二胺四乙酸2μL 100mM溶液加入。DNA产物通过自旋柱(Micro Bio-spin P6 column)。下一步，将10μL 5mM CB溶剂加入上述溶液，孵育2小时后，得 到最终纳米孔监测部件，并将纳米孔上的硫基乙酸键与骨架部件介孔二氧化硅 的硫醇在搅拌中相连。
(2)应急检测血液抗原的能力及应急显示能力
此DNA纳米孔与最终浓度为5μM的血清甲胎蛋白(AFP)，在37℃下相互 孵育，其中缓冲液100mM氯化钠，5mM氯化钾，10mM盐酸，PH7.4加入到 最终溶液中，以致最终溶液体积为50μL。然后使用数字转化仪1440A A/D(Axon Instruments)通过单通道记录实验测定应急响应的时间。
实施例2
本实施例用于说明纳米生物监测器中应急检测血液抗原的能力。
(1)分子适配体和主客体相互作用的检测纳米孔的制备
3.3μL含炔基端链的DNA(80μM)，1.2μL去离子水，2μL溶于乙腈中的叠 氮化二茂铁基烷基醚(160mM)，1μL 16μM抗坏血酸钠，0.5μL 16μM硝酸铜， 加入到2μL 100mM的缓冲液中，最终浓度为10ul，在室温下孵育2小时，最 终将乙二胺四乙酸2μL 100mM溶液加入。DNA产物通过自旋柱(Micro Bio-spin P6 column)。下一步，将10μL 5mM CB溶剂加入上述溶液，孵育2小时后，得 到最终纳米孔监测部件，并将纳米孔上的硫基乙酸键与骨架部件介孔二氧化硅 的硫醇在搅拌中相连。
(2)应急检测血液抗原的能力及应急显示能力
此DNA纳米孔与最终浓度为5μM的血清甲胎蛋白(AFP)，在37℃下相互 孵育，其中缓冲液100mM氯化钠，5mM氯化钾，10mM盐酸，PH7.4加入到 最终溶液中，以致最终溶液体积为50μL。然后使用数字转化仪1440AA/D(Axon Instruments)通过单通道记录实验测定应急响应的时间。
实施例3
本实施例用于说明纳米生物监测器中应急检测血液抗原的能力。
(1)分子适配体和主客体相互作用的检测纳米孔的制备
3.3μL含炔基端链的DNA(200μM)，1.2μL去离子水，2μL溶于乙腈中的叠 氮化二茂铁基烷基醚(400mM)，1μL 40μM抗坏血酸钠，0.5μL 40μM硝酸铜， 加入到2μL 100mM的缓冲液中，最终浓度为10u1，在室温下孵育2小时，最 终将乙二胺四乙酸2μL 100mM溶液加入。DNA产物通过自旋柱(Micro Bio-spin P6column)。下一步，将10μL 5mM CB溶剂加入上述溶液，孵育2小时后，得 到最终纳米孔监测部件，并将纳米孔上的硫基乙酸键与骨架部件介孔二氧化硅 的硫醇在搅拌中相连。
(2)应急检测血液抗原的能力及应急显示能力
此DNA纳米孔与最终浓度为5μM的血清甲胎蛋白(AFP)，在37℃下相互 孵育，其中缓冲液100mM氯化钠，5mM氯化钾，10mM盐酸，PH7.4加入到 最终溶液中，以致最终溶液体积为50μL。然后使用数字转化仪1440A A/D(Axon Instruments)通过单通道记录实验测定应急响应的时间。
实施例4
本实施例用于说明纳米生物监测器中应急检测血液抗原的能力。
(1)分子适配体和主客体相互作用的检测纳米孔的制备
3.3μL含炔基端链的DNA(300μM)，1.2μL去离子水，2μL溶于乙腈中的叠 氮化二茂铁基烷基醚(600mM)，1μL 60μM抗坏血酸钠，0.5μL 60μM硝酸铜， 加入到2μL 100mM的缓冲液中，最终浓度为10ul，在室温下孵育2小时，最 终将乙二胺四乙酸2μL 100mM溶液加入。DNA产物通过自旋柱(Micro Bio-spin P6column)。下一步，将10μL 5mM CB溶剂加入上述溶液，孵育2小时后，得 到最终纳米孔监测部件，并将纳米孔上的硫基乙酸键与骨架部件介孔二氧化硅 的硫醇在搅拌中相连。
(2)应急检测血液抗原的能力及应急显示能力
此DNA纳米孔与最终浓度为5μM的血清甲胎蛋白(AFP)，在37℃下相互 孵育，其中缓冲液100mM氯化钠，5mM氯化钾，10mM盐酸，PH7.4加入到 最终溶液中，以致最终溶液体积为50μL。然后使用数字转化仪1440A A/D(Axon Instruments)通过单通道记录实验测定应急响应的时间。
实施例5
本实施例用于说明纳米生物监测器中应急检测血液抗原的能力。
(1)分子适配体和主客体相互作用的检测纳米孔的制备
3.3μL含炔基端链的DNA(40μM)，1.2μL去离子水，2μL溶于乙腈中的叠 氮化二茂铁基烷基醚(80mM)，1μL 8μM抗坏血酸钠，0.5μL 8μM硝酸铜，加入 到2μL 100mM的缓冲液中，最终浓度为10ul，在室温下孵育2小时，最终将 乙二胺四乙酸2μL 100mM溶液加入。DNA产物通过自旋柱(Micro Bio-spin P6 column)。下一步，将10μL 5mM CB溶剂加入上述溶液，孵育2小时后，得到 最终纳米孔监测部件，并将纳米孔上的硫基乙酸键与骨架部件介孔二氧化硅的 硫醇在搅拌中相连。
(2)应急检测血液抗原的能力及应急显示能力
此DNA纳米孔与最终浓度为5μM的血清甲胎蛋白(AFP)，在37℃下相互 孵育，其中缓冲液100mM氯化钠，5mM氯化钾，10mM盐酸，PH7.4加入到 最终溶液中，以致最终溶液体积为50μL。然后使用数字转化仪1440A A/D(Axon Instruments)通过单通道记录实验测定应急响应的时间。
实施例6
本实施例用于说明纳米生物监测器中应急检测血液抗原的能力。
(1)分子适配体和主客体相互作用的检测纳米孔的制备
3.3μL含炔基端链的DNA(20μM)，1.2μL去离子水，2μL溶于乙腈中的叠 氮化二茂铁基烷基醚(40mM)，1μL 4μM抗坏血酸钠，0.5μL 4μM硝酸铜，加入 到2μL 100mM的缓冲液中，最终浓度为10ul，在室温下孵育2小时，最终将 乙二胺四乙酸2μL 100mM溶液加入。DNA产物通过自旋柱 (MicroBio-spinP6column)。下一步，将10μL 5mM CB溶剂加入上述溶液，孵育2小时后，得到最终纳米孔监测部件，并将纳米孔上的硫基乙酸键与骨架部件 介孔二氧化硅的硫醇在搅拌中相连。
(2)应急检测血液抗原的能力及应急显示能力
此DNA纳米孔与最终浓度为5μM的血清甲胎蛋白(AFP)，在37℃下相互 孵育，其中缓冲液100mM氯化钠，5mM氯化钾，10mM盐酸，PH7.4加入到 最终溶液中，以致最终溶液体积为50μL。然后使用数字转化仪1440A A/D(Axon Instruments)通过单通道记录实验测定应急响应的时间。
实施例7
本实施例用于说明纳米生物监测器中应急检测血液抗原的能力。
(1)分子适配体和主客体相互作用的检测纳米孔的制备
3.3μL含炔基端链的DNA(10μM)，1.2μL去离子水，2μL溶于乙腈中的叠 氮化二茂铁基烷基醚(20mM)，1μL 2μM抗坏血酸钠，0.5μL 2μM硝酸铜，加入 到2μL 100mM的缓冲液中，最终浓度为10ul，在室温下孵育2小时，最终将 乙二胺四乙酸2μL 100mM溶液加入。DNA产物通过自旋柱(Micro Bio-spin P6 column)。下一步，将10μL 5mM CB溶剂加入上述溶液，孵育2小时后，得到 最终纳米孔监测部件，并将纳米孔上的硫基乙酸键与骨架部件介孔二氧化硅的 硫醇在搅拌中相连。
(2)应急检测血液抗原的能力及应急显示能力
此DNA纳米孔与最终浓度为5μM的血清甲胎蛋白(AFP)，在37℃下相互 孵育，其中缓冲液100mM氯化钠，5mM氯化钾，10mM盐酸，PH7.4加入到 最终溶液中，以致最终溶液体积为50μL。然后使用数字转化仪1440A A/D(Axon Instruments)通过单通道记录实验测定应急响应的时间。
对比例1
本对比例用于说明参比的纳米生物监测器中应急检测血液抗原的能力。
按照实施例1中的方法检测应急响应时间，不同的是，所述的5μM的血清 甲胎蛋白(AFP)为5μM的癌抗原242(CA242)。
对比例2
本对比例用于说明参比的纳米生物监测器中应急检测血液抗原的能力。
按照实施例1中的方法检测应急响应时间，不同的是，所述的5μM的血清 甲胎蛋白(AFP)为5μM的癌抗原125(CA125)。
对比例3
本对比例用于说明参比的纳米生物监测器中应急检测血液抗原的能力。
按照实施例1中的方法检测应急响应时间，不同的是，所述的5μM的血清 甲胎蛋白(AFP)为5μM的癌抗原153(CA153)。
表一
Figure BDA0002542506650000131
Figure BDA0002542506650000141
如上表1可以看出，在检测纳米生物监测器中应急检测血液抗原的能力中， 实施例1以其较高的响应频率，极快的响应时间，作为本次发明最优选的情况。 另外其他癌抗原利用不同的分子适配体采用相同的制备方法，来得到其最优选 的情况。不同的癌抗原所用的适配体不同，所以之间互不影响。所检测的响应 时间也是决定最终AR显示的速率的重要因素之一。并且在本发明最优情况下， 例如，检测器与应急部件传递信号方式，结合新一代纳米药物递送等，所述的 纳米生物传感器的性能能够得到进一步的提升。
当然，以上所述仅为本发明的具体实施方法而已，并非来限制本发明实施 范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征以及原理所做的等效变化或修 饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (2)

1.一种纳米生物监测器，其特征在于包括：
巡航部件，用于为整体提供动力，在血液中持续巡航；所述的巡航部件为三链DNA分子马达；此分子机器不仅是结构材料，还有自身提供动力的作用，其由三条寡核苷酸链A、B、C杂交形成钳状；通过另一辅助的DNA链来实现其开关，其中一条寡核苷酸链F与B、C链的悬空端杂合，将钳状分子闭合，随后，通过F的互补链
Figure FDA0002542506640000011
将钳状分子打开，以此循环，从而达到巡航运动的作用；监测部件，用于监测血液中各种生化指标，并将信号传输到传感部件；
传感部件，用于将监测部件收集的生化参数传输至AR设备，是一个连接纳米生物监测器和AR设备的桥梁；
骨架部件，作为支撑部件，其中监测部件镶嵌在其表面，传感部件位于其中心位置，巡航部件连接在其表面；
所述的传感部件为无线传感芯片；它不仅有传输信号的作用，同时还有感知并接收上述监测部件的电信号；其包括采集单元和通信单元；采集单元作用是感知并采集接收权利要求1中所述的监测部件中各探针传递的信号，并通过通信单元将上述各参数汇总经wifi传输至AR设备。
2.根据权利要求1中所述的纳米生物监测器，其特征在于，所述的骨架部件为介孔二氧化硅纳米材料，其呈现均匀的球体，其中所述介孔二氧化硅的粒径在30nm至90nm范围内。
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