CN112964665B - 一种基于高分辨太赫兹技术的肿瘤标志物分子检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于高分辨太赫兹技术的肿瘤标志物分子检测系统，属于生物大分子检测领域。该系统包括高分辨太赫兹系统和数据分析处理系统；高分辨太赫兹系统用于采集待测样品的太赫兹光谱信息和太赫兹特征图像；数据分析处理系统是将待测样品的太赫兹光谱信息和太赫兹特征图像与建立的参考标准进行比对，通过分析光谱差异和识别图像中肿瘤标志物的拓扑结构，获取待测样品中所含肿瘤标志物的类别与含量信息。本发明系统能实现单分子水平肿瘤标志物的快速、准确检测。
Description
技术领域
本发明属于生物大分子检测领域，涉及一种基于高分辨太赫兹技术的肿瘤标志物分子检测系统。
背景技术
肿瘤标志物是细胞在癌变过程中合成或者异常表达的生物活性分子，包括蛋白质、糖类及核酸等。大量研究表明，肿瘤标志物的定性和定量分析对于准确检测肿瘤的病理变化以及全面把握肿瘤的病理机制具有重要研究意义。目前，用于检测肿瘤标志物的方法主要包括免疫学法、核酸检测法及质谱法等。尽管这些方法具有一定的可操作性，但是它们的固有局限性限制了在实际检测中的应用，如：(1)由于早期肿瘤标志物的浓度较低，难以有效的精确检测；(2)检测周期较长，且容易出现假阳性和假阴性的情况。因此，发展一种能够准确、快速检测肿瘤标志物的新技术显得尤为重要。
太赫兹波(0.1-10THz)是近年兴起的一种前沿光学技术。在生物检测中具有以下优势：(1)单光子能量低，一般不会对生物样品产生光致电离；(2)大多数生物分子的骨架振动、转动、弯折以及分子间弱的相互作用力能级都处于太赫兹谱段，因此太赫兹波能够与所探测生物分子产生共振响应，从而获得所探测生物分子的特征谱线，进而对其结构和构象特征进行精准的解析；(3)太赫兹波对生物分子结构和构象的微小差别非常敏感，因而可以检测到生物分子的细微变化。传统太赫兹技术由于受到衍射极限的限制，空间分辨率只能达到亚毫米量级，无法满足对蛋白质、糖类及核酸等生物大分子准确检测的纳米级空间分辨率要求。
因此，目前亟需一种能够快速、准确检测单分子水平肿瘤标志物的太赫兹系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于高分辨太赫兹技术的肿瘤标志物分子检测系统，实现单分子水平肿瘤标志物的快速、准确检测。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于高分辨太赫兹技术的肿瘤标志物分子检测系统，包括：高分辨太赫兹系统7和数据分析处理系统8；
所述高分辨太赫兹系统7用于采集待测样品的太赫兹光谱信息和太赫兹特征图像；
所述数据分析处理系统8是将待测样品的太赫兹光谱信息和太赫兹特征图像与建立的参考标准进行比对，通过分析光谱差异和识别图像中肿瘤标志物的拓扑结构，获取待测样品中肿瘤标志物的类别与含量信息。
进一步，所述高分辨太赫兹系统7分为三种类型：透射式太赫兹近场系统、反射式太赫兹近场系统或散射式太赫兹近场系统；通过设置太赫兹源和太赫兹探测器之间的空间夹角α，实现样品的透射式、反射式或散射式检测，0＜α＜360°。
进一步，所述高分辨太赫兹系统7包括：纳米探针1、太赫兹源2、太赫兹探测器3、基底5和样品台6。
进一步，所述太赫兹源2用于辐射太赫兹波，包括但不限于光电导天线、光整流和光学差频器件以及自由电子激光器。。
进一步，所述基底5的材料是能够制备单分子水平肿瘤标志物样品的材料；对于反射式/散射式检测，基底的材料具备增强太赫兹反射的能力；对于透射式检测，基底的材料需能透过太赫兹信号。
进一步，所述的参考标准是建立的纯肿瘤标志物的综合特征信息，包括纯肿瘤标志物的太赫兹光谱信息和拓扑结构。
进一步，所述太赫兹光谱信息包括时域光谱的峰峰值和单侧峰高，以及频域光谱的幅值和相位。
进一步，肿瘤标志物的拓扑结构是太赫兹特征图像经过图像处理方法所得。
进一步，图像处理方法包括但不限于去卷积、图像锐化和图像分割。
本发明的有益效果在于：
1)利用本发明检测系统，无需对样品进行标记处理；
2)本发明检测系统操作简单、检测速度快；
3)本发明检测系统是基于光谱检测，其结果客观准确；
4)本发明检测系统可以实现单分子水平肿瘤标志物的检测。
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为本发明基于高分辨太赫兹技术的肿瘤标志物分子检测系统示意图；
图2为本发明所述系统的检测方法流程图；
附图标记：1-纳米探针，2-太赫兹源，3-太赫兹探测器，4-待测样品，5-基底，6-样品台，7-高分辨太赫兹系统，8-数据分析处理系统。
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。
请参阅图1，为本发明提供的基于高分辨太赫兹技术的肿瘤标志物分子检测系统，包括：高分辨太赫兹系统7和数据分析处理系统8。高分辨太赫兹系统7包括：纳米探针1、太赫兹源2、太赫兹探测器3、基底5和样品台6，用于采集待测样品的太赫兹光谱信息和太赫兹特征图像。数据分析处理系统8是将待测样品的太赫兹检测信息与建立的参考标准进行比对，通过分析太赫兹光谱信息(包括时域光谱的峰峰值和单侧峰高，以及频域光谱的幅值和相位)以及太赫兹特征图像(包括图像中所含有肿瘤标志物的拓扑结构及其数量)获取待测样品中肿瘤标志物的类别与含量信息。
如图2所示，该肿瘤标志物分子检测系统的检测方法包括以下步骤：
步骤1：选择高分辨太赫兹系统；
高分辨太赫兹系统包括透射式太赫兹近场系统、反射式太赫兹近场系统或散射式太赫兹近场系统。通过设置太赫兹源和太赫兹探测器之间的空间夹角α，可实现样品的透射式、反射式或散射式检测，0＜α＜360°。
步骤2：选择样品基底；
样品基底包括但不限于Ag、Au、石墨等可以制备单分子水平肿瘤标志物样品的材料；对于反射式/散射式检测，该材料最好可以具备增强太赫兹反射的能力；对于透射式检测，该材料需能透过太赫兹信号。
步骤3：制备肿瘤标志物标准样品；
从肿瘤患者的体液中对肿瘤标志物进行分离和提纯，然后将纯的肿瘤标志物放置于样品基底上面，以备检测。
优选的，体液可以是血液、脑脊液、唾液和尿液等包含肿瘤标志物的液体。
优选的，肿瘤标志物包括但不限于甲胎蛋白、癌胚抗原、肿瘤抗原、细胞角蛋白和神经元特异性烯醇化酶等因肿瘤产生而引起相关变化的生物大分子。
优选的，分离和提纯方法包括但不限于高效液相色谱法、质谱法和凝胶电泳技术。
步骤4：检测肿瘤标志物标准样品太赫兹信息；
将标准样品置于太赫兹系统的样品台上进行检测，提取肿瘤标志物的太赫兹光谱信息(包括时域光谱的峰峰值和单侧峰高，以及频域光谱的幅值和相位)，并对太赫兹特征图像进行图像处理得到相应肿瘤标志物分子的拓扑结构，从而建立纯肿瘤标志物的综合特征信息，并将其作为后续检测的参考标准。
优选的，图像处理方法包括但不限于去卷积、图像锐化和图像分割。
步骤5：处理待测样品；
将待测样品置于高分辨太赫兹系统的样品台上进行检测。
优选的，待测样品可以是血液、脑脊液、唾液和尿液等包含肿瘤标志物的液体。
步骤6：检测待测样品太赫兹信息；
步骤7：分析数据，获取肿瘤标志物分子信息：将待测样品的太赫兹检测结果与前面建立的参考标准进行比对，通过分析太赫兹光谱信息(包括时域光谱的峰峰值和单侧峰高，以及频域光谱的幅值和相位)以及太赫兹特征图像(包括图像中所含有肿瘤标志物的拓扑结构及其数量)获取待测样品中肿瘤标志物的类别与含量信息。
实施例1：检测肺癌肿瘤标志物癌胚抗原(CEA)的太赫兹综合特征信息。本实例选用散射式太赫兹近场系统对CEA检测，具体包括以下步骤：
(1)样品基底选择
选用可以制备单分子水平肿瘤标志物和增强散射式近场太赫兹信号的石墨作为承载样品的基底。
(2)CEA标准样品制备
提取肺癌患者的血清，采用液相色谱法和凝胶电泳法对癌胚抗原(CEA)进行分离和提纯；然后用微滴管吸取100μL CEA于石墨基底上面晾干，以备检测。
(3)CEA标准样品高分辨太赫兹检测
将CEA标准样品置于散射式太赫兹近场系统的样品台上，首先对包含CEA分子的区域进行高分辨太赫兹扫描成像，然后采集CEA分子的太赫兹光谱。。
(4)获得CEA分子的综合特征信息
提取CEA的太赫兹光谱信息(包括时域光谱的峰峰值和单侧峰高，以及频域光谱的幅值和相位)，并采用去卷积的方法对太赫兹特征图像进行图像处理以获得CEA的拓扑结构特征，从而建立CEA分子的综合特征信息。
实施例2：检测肺癌患者血清中的肿瘤标志物信息。本实例选用散射式太赫兹近场系统对肺癌患者血清中的肿瘤标志物检测，具体包括以下步骤：
(1)建立肿瘤标志物分子的参考标准
同实施例1中步骤(1)～(4)，分别建立肺癌肿瘤标志物细胞角蛋白21-1(CYFRA21-1)、糖类抗原125(CA125)神经元特异性烯醇化酶(NSE)、胃泌素释放肽前体(PRO-Grp)和鳞状细胞癌抗原(SCC)的综合特征信息，并将其作为后续检测的参考标准。
(2)待测样品检测
提取肿瘤患者的血清作为待测样品，用微滴管吸取100μL待测样品于石墨基底上面晾干，然后放置于散射式太赫兹近场系统的样品台上进行检测。
(3)分析数据，获取待测样品中肺癌肿瘤标志物信息
将待测样品的太赫兹检测结果与前面建立的参考标准进行比对，通过分析太赫兹光谱信息(包括时域光谱的峰峰值和单侧峰高，以及频域光谱的幅值和相位)，以及太赫兹特征图像(包括图像中所含有肿瘤标志物的拓扑结构及其数量)获取待测样品中肿瘤标志物的类别与含量信息。
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 (7)
1.一种基于高分辨太赫兹技术的肿瘤标志物分子检测系统，其特征在于，该系统包括：高分辨太赫兹系统（7）和数据分析处理系统（8）；
所述高分辨太赫兹系统（7）包括纳米探针（1）、太赫兹源（2）、太赫兹探测器（3）、基底（5）和样品台（6），用于采集待测样品的太赫兹光谱信息和太赫兹特征图像；所述高分辨太赫兹系统（7）分为三种类型：透射式太赫兹近场系统、反射式太赫兹近场系统或散射式太赫兹近场系统；通过设置太赫兹源和太赫兹探测器之间的空间夹角α，实现样品的透射式、反射式或散射式检测，0＜α＜360°；
所述数据分析处理系统（8）是将待测样品的太赫兹光谱信息和太赫兹特征图像与建立的参考标准进行比对，通过分析太赫兹光谱差异和识别图像中肿瘤标志物的拓扑结构，获取待测样品中所含有肿瘤标志物的类别与含量信息。
2.根据权利要求1所述的肿瘤标志物分子检测系统，其特征在于，所述太赫兹源（2）用于辐射太赫兹波，包括光电导天线、光整流和光学差频器件以及自由电子激光器。
3.根据权利要求1所述的肿瘤标志物分子检测系统，其特征在于，所述基底（5）的材料是能够制备单分子水平肿瘤标志物样品的材料；对于反射式/散射式检测，基底的材料具备增强太赫兹反射的能力；对于透射式检测，基底的材料需能透过太赫兹信号。
4.根据权利要求1所述的肿瘤标志物分子检测系统，其特征在于，所述的参考标准是建立的纯肿瘤标志物的综合特征信息，包括纯肿瘤标志物的太赫兹光谱信息和拓扑结构。
5.根据权利要求1或4所述的肿瘤标志物分子检测系统，其特征在于，所述太赫兹光谱信息包括时域光谱的峰峰值和单侧峰高，以及频域光谱的幅值和相位。
6.根据权利要求1或4所述的肿瘤标志物分子检测系统，其特征在于，所述肿瘤标志物的拓扑结构是太赫兹特征图像经过图像处理方法所得。
7.根据权利要求6所述的肿瘤标志物分子检测系统，其特征在于，所述图像处理方法包括：去卷积、图像锐化和图像分割。
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2021
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