CN113281271A - 微纳材料修饰生物医学检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳材料修饰生物医学检测系统及方法，所述系统包括光源、解调仪和光纤传感器，所述光纤传感器为反射式光纤传感器或透射式光纤传感器，所述光纤传感器表面镀一层或多层微纳材料，用于增强光纤传感器的比表面积和肿瘤细胞检测灵敏度，光纤传感器置于微流检测通道内，所述蠕动泵通过微流管与微流检测通道的两端连接，待测生物医学样品通过蠕动泵注入微流检测通道。本发明系统利用微纳材料的独特优势，在不破坏光纤结构的前提下，实现肿瘤细胞的高灵敏测量，利用微纳材料的大表面积体积比和亚微米尺度特殊结构，可以在复杂的环境中提供高效的肿瘤细胞结合能力。

Description

微纳材料修饰生物医学检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种微纳材料修饰生物医学检测系统及方法，属于光纤生物医学传感器设计领域。

背景技术

癌症是世界范围内的主要死亡原因之一。近年来在发展中国家，由于诊断和治疗手段的改善，以及预防措施的实施，与癌症相关的全球死亡率一直在下降。然而，胃癌、肝癌、乳腺癌、肺癌等癌症研究进展缓慢，而且很难在早期发现。因此，面对高昂的医疗费用和不断增加的新病例，早期癌症诊断是一个关键因素。

近年来，光纤传感器在许多疾病的诊断和治疗方面引起了人们的关注。光纤传感器体积小，可以深入到狭窄的空间，特别是当这些疾病和癌症很难接触到的时候，例如甲状腺癌和脑癌，小巧的体积和操作的灵活性成为了极大的优势。同时光纤传感器稳定性好、检测精度高、价格低、抗电磁干扰强，在生物医学检测方面有很大的发展空间。

目前基于光纤方法对肿瘤细胞的检测中，一般是检测肿瘤标志物，它们是存在于细胞、组织、体液中，能够证实肿瘤存在的某些物质，例如：癌胚蛋白、酶、肿瘤相关抗原、激素等。除了对癌症标志物的检测之外还有对癌细胞进行的直接检测分析。目前各种方法中，从唾液、血液、体液检测特定待测目标物的方法已被报道。这些方法使用不同的光纤结构，这些结构都是基于核心导向光对周围介质的局部显示。这通常是通过弯曲光纤或化学腐蚀完全或部分去除包层来实现的。然而，这些方法仍然不理想。首先，改变光纤的几何形状通常会削弱光纤的固有强度。其次，使用特殊光纤如光子晶体光纤或稀土掺杂光纤会使传感器的制造过程复杂化，有时会形成较差的光栅啁啾，导致性能不可靠。因此，有必要设计一种简单高效的全光纤传感器结构。生物医学传感器发展的实际趋势也正在转向侵入性较小的远程监测系统，以简化其使用并提供用户友好的界面。

发明内容

本发明的目的为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种微纳材料修饰生物医学检测系统，该系统利用倾斜光纤光栅和微纳材料的独特优势，在不破坏光纤结构的前提下，从而实现肿瘤细胞的高灵敏测量，利用微纳材料的大表面积体积比和亚微米尺度特殊结构，可以在复杂的环境中提供高效的肿瘤细胞结合能力。

本发明的另一目的在于提供一种微纳材料修饰生物医学检测方法，该方法通过测量光强变化来检测生物医学样品的浓度。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种微纳材料修饰光纤生物医学检测系统，包括光源、解调仪和光纤传感器，所述光纤传感器为反射式光纤传感器或透射式光纤传感器；

所述光纤传感器为反射式光纤传感器时，光纤传感器的端面镀有反射膜；所述光源和解调仪分别与环形器/光纤合束器连接，所述环形器/光纤合束器与光纤传感器连接；

所述光纤传感器为透射式光纤传感器时，所述光源、光纤传感器和解调仪依次连接；

所述光纤传感器表面镀一层或多层微纳材料，用于增强光纤传感器的比表面积和肿瘤细胞检测灵敏度，光纤传感器置于微流检测通道内，所述蠕动泵通过微流管与微流检测通道的两端连接，待测生物医学样品通过蠕动泵注入微流检测通道。

进一步的，所述光纤传感器包括倾斜布拉格光纤光栅、布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅、单模光纤-多模光纤-单模光纤干涉器件、单模光纤- 无芯光纤-单模光纤干涉器件和微纳光纤器件的其中之一。

进一步的，所述倾斜布拉格光纤光栅的倾角小于90度，且倾斜布拉格光纤光栅的轴向长度小于20mm。

进一步的，所述倾斜布拉格光纤光栅的模式有效折射率与待测生物溶液折射率相匹配。

进一步的，所述光源的输出光谱为1200～1800nm，光源输出光谱的范围与倾斜布拉格光纤光栅透射光谱的包络范围相匹配。

进一步的，每层微纳材料为埃洛石纳米管、聚吡咯纳米颗粒、金纳米复合材料和分子筛中的一种。

进一步的，所述待测生物医学样品为肿瘤细胞溶液，所述微流检测通道内肿瘤细胞的浓度大于1cells/mL。

进一步的，所述光源为宽带光源时，所述解调仪为光谱分析仪；所述光源为可调激光器时，所述解调仪为光谱分析仪或光电探测器。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种微纳材料修饰光纤生物医学检测方法，所述方法包括：

制备微纳材料修饰的光纤传感器；

搭建光路传感系统，通过微流管将蠕动泵与微流检测通道的两端连接，将待测生物医学样品通过蠕动泵注入微流检测通道，并将光纤传感器置于微流检测通道内；

使用蠕动泵让微流检测通道内的待测生物医学样品维持循环流动状态，在调制好的偏振光输入光纤传感器后，通过解调仪实时显示光纤传感器的光谱信息。

进一步的，所述制备微纳材料修饰的光纤传感器，包括：

依次通过埃洛石纳米管的提纯、埃洛石纳米管在光纤表面的修饰，制备微纳材料修饰的光纤传感器。

进一步的，所述依次通过埃洛石纳米管的提纯、埃洛石纳米管在光纤表面的修饰，制备微纳材料修饰的光纤传感器，具体包括：

采用分散离心干燥技术对埃洛石进行提纯加工，得到埃洛石纳米管；

将埃洛石纳米管溶解在酒精分散液中，制成埃洛石纳米管的酒精分散液，并利用热喷涂的方法将埃洛石纳米管均匀附着在光纤表面，得到微纳材料修饰的光纤传感器。

进一步的，所述采用分散离心干燥技术对埃洛石进行提纯加工，得到埃洛石纳米管包括：将埃洛石碾磨成粉，加入去离子水搅拌均匀，离心处理再用蒸馏水洗涤，最后干燥得到纯化后的埃洛石纳米管。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明光纤传感器表面镀一层或多层微纳材料，用于增强光纤传感器的比表面积和肿瘤细胞检测灵敏度，形成微纳材料修饰的光纤传感器，检测过程不仅对检测样品免标记、特异性，同时具有简便、快速等优点。

2、本发明采用的微纳材料可以为埃洛石纳米管、聚吡咯纳米颗粒、金纳米复合材料和分子筛中的一种，优选为埃洛石纳米管，采用热喷涂的方法将埃洛石纳米管均匀修饰在光纤表面，利用埃洛石纳米管的大表面积体积比和亚微米尺度特殊结构，从而实现在复杂环境中对生物医学样品的检测和筛选。

3、本发明的生物医学样品可以为肿瘤细胞溶液，通过观察截止模式光谱强度幅度变化获得肿瘤细胞溶液中的肿瘤细胞浓度信息，肿瘤细胞的浓度范围为10cells/mL-10⁵cells/mL，细胞极限检测精度为10cells/mL；生物医学传感器性能稳定具有很好的可重复性；可实现对肿瘤细胞和正常细胞的特异性检测。

4、本发明由于光纤的纤芯模式仅对温度敏感，而对环境折射率不敏感，因此通过检测光纤纤芯模式，可实现温度信息的实时测量，进而消除温度变化对测量结果的影响，具有温度自校准功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例的微纳材料修饰生物医学检测系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的生物医学传感器的结构示意图。

图3为本发明实施例的裸倾斜光纤光栅在空气中的透射光谱图和修饰埃洛石纳米管的倾斜光纤光栅在空气中的透射光谱图。

图4为本发明实施例的光纤传感器在裸光栅情况下和有埃洛石修饰情况下捕获肿瘤细胞的光强响应光谱图。

图5为本发明实施例的微纳材料修饰的光纤传感器在不同浓度细胞溶液中，光栅光谱衰减包络中某一模式的幅度随时间变化图。

图6为本发明实施例的微纳材料修饰的光纤传感器在不同浓度细胞溶液中，光栅光谱衰减包络中某一模式的幅度变化与细胞浓度关系图。

图7为本发明实施例的微纳材料修饰的光纤传感器在三个连续细胞检测周期内，光栅光谱衰减包络中某一模式的幅度变化随时间变化关系图。

图8为本发明实施例的微纳材料修饰的光纤传感器在不同种类细胞溶液中，光栅光谱衰减包络中某一模式的幅度变化的统计结果图。

其中，1-光源，2-起偏器，3-偏振控制器，4-微流检测通道，5-光纤传感器，6-蠕动泵，7-光谱分析仪，8-偏振光，9-光纤，10-微纳材料涂层， 11-倏逝场，12-肿瘤细胞，13-用于检测的模式区域，14-用于校准的模式区域。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

在最近几年光纤生物医学传感器的研究报道中，高性能的光纤光栅传感器成为各国竞相研究的热点，尤其是新发展起来的倾斜光纤光栅传感器，它除了具备普通光纤生物医学传感器的特点之外，还可以利用对周围环境敏感的数百个包层模式，不仅测量精度得到提高，也大大丰富了受测量对象类型，只需要利用一支倾斜光纤光栅，便可以实现温度、折射率等多参量的区分测量，在生物医学检测领域中具有非常广阔的应用前景。

如图1所示，本实施例提供了一种微纳材料修饰生物医学检测系统，该系统主要应用于肿瘤细胞检测，包括光源1、起偏器2、偏振控制器3、微流检测通道4、光纤传感器5、蠕动泵6和光谱分析仪7，光源1、起偏器2、偏振控制器3、光纤传感器5和光谱分析仪7依次连接，光纤传感器5为微纳材料修饰的光纤传感器，光纤传感器5置于微流检测通道4内，蠕动泵6通过微流管连接微流检测通道4两端，待测肿瘤细胞溶液通过蠕动泵6注入微流检测通道4。

如图1和图2所示，光纤传感器5用于实现肿瘤细胞的捕获和检测，其包括刻有倾斜光纤光栅的光纤9，光纤9可以为高掺锗光敏光纤，光纤外表面均匀涂覆有微纳材料涂层10，倾斜光纤光栅的倾斜角度小于45度，倾斜光纤光栅后向耦合的包层模有效折射率覆盖1.0-1.45RIU，能够实现光纤在液体环境中的肿瘤细胞12检测。

进一步地，微纳材料包括但不限于埃洛石纳米管、聚吡咯纳米颗粒、金纳米复合材料、分子筛等具有对肿瘤细胞结构筛选型的材料，其具有较大的比表面积，可控的组成，稳定的理化性质，可实现对肿瘤细胞的增强捕获，而对正常细胞而言没有肿瘤细胞表面的绒毛和伪足，因此很难在微纳材料表面粘附；本实施例中的微纳材料为埃洛石纳米管，洛石纳米管在酒精溶液中浓度是2.5％。

进一步地，倾斜光纤光栅的长度为10-20mm，工作波长为1500-1620 nm，倾斜角度为18度。

光纤传感器5依次通过倾斜光纤光栅写制、埃洛石纳米管的提纯、埃洛石纳米管在光纤表面的修饰，具体如下：

1)倾斜光纤光栅写制：采用相位掩膜法在光纤上刻写倾斜光纤光栅；具体地，紫外入射光经过聚焦透镜聚焦到相位掩膜板上，相位掩模板与光纤相平行，紫外入射光通过相位掩模板后照射在光纤上，然后调节控制相位掩模板和紫外入射光写入角度的角度调节架，形成小于45度的倾斜光纤光栅，并控制写入时间得到高消光比的倾斜光纤光栅，且后向耦合的包层模有效折射率可覆盖1.0-1.45RIU。

2)埃洛石纳米管的提纯：采用分散离心干燥技术对埃洛石进行提纯加工，得到埃洛石纳米管；具体地，将埃洛石碾磨成粉，加入去离子水搅拌均匀，离心处理再用蒸馏水洗涤，最后干燥得到纯化后的埃洛石纳米管。

3)将埃洛石纳米管溶解在酒精分散液中，制成2.5％埃洛石纳米管的酒精分散液，并利用热喷涂的方法将埃洛石纳米管均匀附着在光纤表面，形成均匀的埃洛石纳米管涂层。

裸倾斜光纤光栅在空气中的透射光谱和修饰埃洛石纳米管的倾斜光纤光栅在空气中的透射光谱对比如图3所示，从图3中可以看到，相比于裸光纤光栅在空气中的透射光谱，修饰埃洛石纳米管的倾斜光纤光栅在空气环境下包层模的包络面积发生了一定程度的变化，但模式对应的波长没有变化，光纤光栅的截止模式保持在1545.3nm附近；观察所选包层模式共振在不同细胞浓度时的强度变化，分析比较从而得到和细胞数量的关系，其中13为用于检测的模式区域，14为用于校准的模式区域。

光源1为宽带光源，宽带光源输出观察光栅光谱的参照光，入射光经过起偏器2后转变成线偏振光，偏振控制器3将线偏振光的偏振方向调节成与倾斜光纤光栅侧向写入方向一致，调制好的线偏振光输入至光纤传感器5后，部分光耦合到光纤表面，激发光纤表面倏逝场11，部分光沿倾斜光纤光栅出射方向输出；可以理解的是，考虑到光谱分析仪价格昂贵且体积大，可以使用可调激光器+光电探测器取代，即光源1可以为可调激光器，此时光谱分析仪7可以替换为光电探测器。

光谱分析仪7用于显示光纤传感器5的输出光；光纤传感器在有埃洛石纳米管和无埃洛石纳米管修饰下的光谱图如图4所示，在0-60分钟时间段内，图中显示了所选截止模式的强度随着时间的变化，可见，当没有修饰埃洛石纳米管的生物医学传感器捕获细胞时，光谱强度变化不明显，修饰埃洛石纳米管的生物医学传感器捕获细胞时，光透射强度随着时间变化明显，约30分钟后逐渐达到饱和状态；此时细胞在光纤表面的吸附与脱离达到了动态平衡，光纤表面的可利用面积达到最大化。

由于埃洛石纳米管涂层提供了更大的细胞粘附表面积，从而埃洛石纳米管的大表面积体积比可以在复杂的环境中提供高效的细胞结合；表面能是控制细胞粘附的一个重要因素，纳米和亚微米表面结构显著改变表面能而无需表面化学修饰；研究表明，纳米表面可以促进细胞外基质ECM的分泌，大量的ECM使MCF-7细胞很好地附着在光纤传感器5表面。

进一步地，宽带光源的工作波长范围为1250-1650nm；微流检测通道 4内肿瘤细胞的浓度大于1cells/mL，具体范围可以为10cells/mL-10⁵ cells/mL。

图5显示了微纳材料修饰的光纤传感器在不同细胞溶液浓度下的光谱响应。实验数据连接点的平滑曲线是指数拟合的结果；在30分钟时，曲线的斜率趋于0，说明光谱强度趋于稳定，检测过程接近完成；在0-30分钟这段时间内，细胞浓度越高，所选截止模式的光谱强度变化更大，这表明使用埃洛石纳米管修饰的光纤生物传感器响应能力与细胞浓度是相关的。

图6中分析了细胞个数和光谱强度变化的关系，横坐标为细胞数量的对数，纵坐标为光强变化。可以看到在30分钟时检测过程基本完成时，细胞数量与光强变化呈现很好的线性关系；在此试验中检测细胞的最低浓度为10cells/mL，根据细胞数量与光强变化关系后，当知道光强变化值我们能在细胞浓度范围为0-10⁵cells/mL推算出细胞数量。

图7显示了在三个连续细胞检测周期内微纳材料修饰的光纤传感器的光谱图。实验开始时用酒精对传感器表面消毒，在一次测量后，加入75％的酒精对传感器清洗后，光谱可以完全恢复到初始状态。待传感器光谱稳定后，将酒精溶液替换为细胞检测溶液进行下一轮细胞检测。结果表明，肿瘤细胞在光纤传感器上的粘附和洗脱具有很好的重复性和稳定性。

图8显示了不同种类细胞的光强变化统计结果。虚线左边的是肿瘤细胞，右边是正常细胞和对照组；从柱状图高度看出，肿瘤细胞相对于正常细胞光强变化差值明显，但是在不同肿瘤细胞之间，它们都处于光强变化较大的状态，相互差值不大；这些结果表明，本实施例提出的方法是肿瘤细胞检测的可行方法，所提出的光纤传感器可以从光谱变化区分癌细胞和正常细胞。

本实施例还提供了一种微纳材料修饰生物医学检测方法，包括以下步骤：

S1、宽带光源输出观察光栅光谱的参照光，入射光经过起偏器后转变成线偏振光，通过调节偏振控制器使偏振光的偏振方向与光纤传感器内倾斜光纤光栅的写制方向相一致。

S2、在测量肿瘤细胞溶液时，在无菌的条件下培养待测肿瘤细胞，将待测肿瘤细胞溶液通过蠕动泵注入微流检测通道，并将光纤传感器置于微流检测通道内。

S3、使用蠕动泵让微流检测通道内的待测肿瘤细胞溶液维持循环流动状态，在调制好的偏振光输入光纤传感器后，部分光耦合到光纤表面激发光纤表面倏逝场，部分光沿光栅出射方向输出，光纤传感器的输出光通过光谱分析仪显示，通过光谱分析仪实时显示光纤传感器的光谱信息，使用计算机记录光谱数据。

S3、微流检测通道中的肿瘤细胞浓度改变，观察所选包层模式共振在不同细胞浓度时的强度变化，分析比较从而得到和细胞数量的关系；连续测量多个周期内的细胞检测实时响应，光纤传感器是否有可重复性稳定实验的性能；分别多次测量不同种类肿瘤细胞和正常细胞得出光纤传感器对肿瘤细胞和正常细胞的特异性响应。

综上所述，本发明系统利用倾斜光纤光栅和微纳材料的独特优势，在不破坏光纤结构的前提下，从而实现肿瘤细胞的高灵敏测量，利用微纳材料的大表面积体积比和亚微米尺度特殊结构，可以在复杂的环境中提供高效的肿瘤细胞结合能力；同时，本发明系统所采用的光纤传感器结构简单、材料安全、价格低廉、易于加工，在科学研究和相关疾病临床检测的早期诊断和治疗评估有着潜在的应用。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (12)

1.一种微纳材料修饰光纤生物医学检测系统，其特征在于，包括光源、解调仪和光纤传感器，所述光纤传感器为反射式光纤传感器或透射式光纤传感器；

所述光纤传感器为反射式光纤传感器时，光纤传感器的端面镀有反射膜；所述光源和解调仪分别与环形器/光纤合束器连接，所述环形器/光纤合束器与光纤传感器连接；

所述光纤传感器为透射式光纤传感器时，所述光源、光纤传感器和解调仪依次连接；

所述光纤传感器表面镀一层或多层微纳材料，用于增强光纤传感器的比表面积和肿瘤细胞检测灵敏度，光纤传感器置于微流检测通道内，所述蠕动泵通过微流管与微流检测通道的两端连接，待测生物医学样品通过蠕动泵注入微流检测通道。

2.根据权利要求1所述的微纳材料修饰光纤生物医学检测系统，其特征在于，所述光纤传感器包括倾斜布拉格光纤光栅、布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅、单模光纤-多模光纤-单模光纤干涉器件、单模光纤-无芯光纤-单模光纤干涉器件和微纳光纤器件的其中之一。

3.根据权利要求2所述的微纳材料修饰光纤生物医学检测系统，其特征在于，所述倾斜布拉格光纤光栅的倾角小于90度。

4.根据权利要求2所述的微纳材料修饰光纤生物医学检测系统，其特征在于，所述倾斜布拉格光纤光栅的模式有效折射率与待测生物溶液折射率相匹配。

5.根据权利要求2所述的微纳材料修饰光纤生物医学检测系统，其特征在于，所述光源输出光谱的范围与倾斜布拉格光纤光栅透射光谱的包络范围相匹配。

6.根据权利要求1-5任一项所述的微纳材料修饰光纤生物医学检测系统，其特征在于，每层微纳材料为埃洛石纳米管、聚吡咯纳米颗粒、金纳米复合材料和分子筛中的一种。

7.根据权利要求1-5任一项所述的微纳材料修饰光纤生物医学检测系统，其特征在于，所述待测生物医学样品为肿瘤细胞溶液，所述微流检测通道内肿瘤细胞的浓度大于1cells/mL。

8.根据权利要求1-5任一项所述的微纳材料修饰光纤生物医学检测系统，其特征在于，所述光源为宽带光源时，所述解调仪为光谱分析仪；所述光源为可调激光器时，所述解调仪为光谱分析仪或光电探测器。

9.一种微纳材料修饰光纤生物医学检测方法，其特征在于，所述方法包括：

制备微纳材料修饰的光纤传感器；

搭建光路传感系统，通过微流管将蠕动泵与微流检测通道的两端连接，将待测生物医学样品通过蠕动泵注入微流检测通道，并将光纤传感器置于微流检测通道内；

使用蠕动泵让微流检测通道内的待测生物医学样品维持循环流动状态，在调制好的偏振光输入光纤传感器后，通过解调仪实时显示光纤传感器的光谱信息。

10.根据权利要求9所述的微纳材料修饰生物医学检测方法，其特征在于，所述制备微纳材料修饰的光纤传感器，包括：

依次通过埃洛石纳米管的提纯、埃洛石纳米管在光纤表面的修饰，制备微纳材料修饰的光纤传感器。

11.根据权利要求9所述的微纳材料修饰生物医学检测方法，其特征在于，所述依次通过埃洛石纳米管的提纯、埃洛石纳米管在光纤表面的修饰，制备微纳材料修饰的光纤传感器，具体包括：

采用分散离心干燥技术对埃洛石进行提纯加工，得到埃洛石纳米管；

将埃洛石纳米管溶解在酒精分散液中，制成埃洛石纳米管的酒精分散液，并利用热喷涂的方法将埃洛石纳米管均匀附着在光纤表面，得到微纳材料修饰的光纤传感器。

12.根据权利要求11所述的微纳材料修饰生物医学检测方法，其特征在于，所述采用分散离心干燥技术对埃洛石进行提纯加工，得到埃洛石纳米管包括：将埃洛石碾磨成粉，加入去离子水搅拌均匀，离心处理再用蒸馏水洗涤，最后干燥得到纯化后的埃洛石纳米管。

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