專利名稱：一種基于光學(xué)拉伸和光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的癌細(xì)胞檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及癌細(xì)胞檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光學(xué)拉伸和光纖干涉?zhèn)?br>
感技術(shù)的癌細(xì)胞^r測(cè)方法。
背景技術(shù)：
癌癥對(duì)人類健康和生命的威脅很大。全世界每年約有上千萬(wàn)人新患癌癥或 死于癌癥。許多癌癥初發(fā)時(shí)沒(méi)有病狀， 一旦發(fā)展到中晚期，將錯(cuò)過(guò)最佳治療時(shí) 期，因此早期診斷、早期治療尤為重要。目前肺瘤的檢測(cè)主要依靠手術(shù)和切片， 將活體組織從體內(nèi)取出，放到顯微鏡下觀察，如果發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞，則確診為癌癥。 這種方式的缺點(diǎn)一是病人痛苦比較大，二是費(fèi)用較高。過(guò)去通常利用影像學(xué)方 法檢測(cè)癌癥，如X光、B超和CT等，還有直接手術(shù)或做病變組織穿刺活檢等方 法，但很難對(duì)腫瘤做出早期診斷，且對(duì)人體有較大傷害。而且目前的方法很難 檢測(cè)出治療后的殘余癌細(xì)胞。因此，發(fā)展無(wú)傷害、靈敏精確、低成本的癌細(xì)胞 才僉測(cè)方法迫在眉睫。
流式細(xì)胞術(shù)(FCM)采用流式細(xì)胞儀對(duì)細(xì)胞懸液進(jìn)行快速分析，通過(guò)對(duì)流動(dòng)液 體中排列成單列的細(xì)胞進(jìn)行逐個(gè)檢測(cè)，得到該細(xì)胞的光散射和熒光指標(biāo)，以此 達(dá)到分選癌細(xì)胞的目的。其檢測(cè)速度快、測(cè)量準(zhǔn)確，是目前臨床4全測(cè)某些癌細(xì) 胞的常用方法。但是流式細(xì)胞儀在^r測(cè)和分選細(xì)胞之前需要制備熒光素標(biāo)記抗 體，并且對(duì)細(xì)胞進(jìn)行染色，操作過(guò)程比較復(fù)雜?？贵w和流式細(xì)胞儀均非常昂貴。
2007年Cross等人通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞的表面彈性比正常 細(xì)胞柔軟70%,詳見Nature Nanotechnology, 2(12), 780-783 (2007)。他們利用該 方法證實(shí)肺癌、乳癌、胰腺癌、肝癌等多種細(xì)胞癌變后變得柔軟的多。正常細(xì) 胞發(fā)生癌變后，形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)隨之發(fā)生改變，癌細(xì)胞因此變得更軟。因此 可以通過(guò)纟企測(cè)細(xì)胞彈性或細(xì)胞形變來(lái)4全測(cè)癌細(xì)胞。
Guck等人曾提出一種光纖雙光束光鑷(即Optical Stretcher),采用兩束相對(duì) 傳輸?shù)?、略微發(fā)散的激光束形成光阱，用于捕獲并拉伸單個(gè)活細(xì)胞，詳見Phys. Rev. Lett. 84(23), 5451-5454 (2000)。光纖雙光束光4聶與傳統(tǒng)的單光束光鑷相比，有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一，由于激光束略微發(fā)散，作用于細(xì)胞的能量密度不高，減小 了對(duì)活細(xì)胞的破壞。第二，雙光束光鑷可以方便的拉伸細(xì)胞，避免了單光束光
鑷中在細(xì)胞表面固定微珠的步驟。然而，Guck等人采用顯微成像方法檢測(cè)細(xì)胞
的尺寸和形變，測(cè)量^f青度有限。在確定細(xì)胞尺寸的過(guò)程中，細(xì)胞與緩沖液的邊 界比較模糊，致使測(cè)量精度受到一定限制。采用顯微成像方法研究尺寸較小的 細(xì)胞時(shí)，精確測(cè)量細(xì)胞的形變存在難度。而光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)可以高精度的檢
測(cè)細(xì)胞形變引起的光程差，即當(dāng)細(xì)胞被雙光束光鑷?yán)旌螽a(chǎn)生形變，細(xì)胞沿 光軸方向的光程差會(huì)發(fā)生變化，從而引起干涉儀輸出光譜的條紋移動(dòng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是如何提供一種基于光學(xué)拉伸和光纖傳感技術(shù)的癌 細(xì)胞檢測(cè)方法，該方法根據(jù)癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的彈性模量不同，通過(guò)測(cè)量細(xì)胞#皮 *扭伸后產(chǎn)生的光程變化來(lái)區(qū)分癌細(xì)胞和正常細(xì)^^。
本發(fā)明所提出的技術(shù)問(wèn)題是這樣解決的提供一種基于光學(xué)拉伸和光纖干 涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的癌細(xì)胞^r測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟
① 設(shè)置釆樣區(qū)在一塊玻璃基板上加工兩條相互交叉垂直的微槽， 一條為 待測(cè)細(xì)胞的懸浮液的采樣通道，另一條用來(lái)固定光纖并形成光纖光鑷，光纖端 面之間的采樣通道區(qū)域?yàn)椴蓸訁^(qū)；
② 捕獲待測(cè)細(xì)胞通過(guò)進(jìn)樣針或注射泵將細(xì)胞懸浮液注射進(jìn)采樣通道，使 細(xì)胞懸浮液中的細(xì)胞單個(gè)通過(guò)采樣區(qū)，通過(guò)光纖雙光束光鑷將細(xì)胞捕獲，此時(shí) 光纖光鑷的激光器的功率P。較小，細(xì)胞的形變忽略；
③ 測(cè)量光譜功率為P。時(shí)釆用光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)測(cè)量反射光語(yǔ)或透射光譜 的干涉條紋；
④ 拉伸待測(cè)細(xì)胞增加光纖光鑷的激光器的功率至P"使細(xì)胞在光軸方向 被拉伸；
⑤ 測(cè)量條紋漂移量在激光功率為Pi時(shí)重復(fù)步驟③，并計(jì)算出某一級(jí)干涉 條紋的漂移量，根據(jù)條紋漂移量的大小來(lái)判斷待測(cè)細(xì)胞是否為癌細(xì)胞。
按照本發(fā)明所提供的基于光學(xué)拉伸和光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的癌細(xì)胞檢測(cè)方 法，其特征在于，所述光纖傳感技術(shù)包括光纖琺珀千涉技術(shù)和光纖Mach-Zehnder 干涉技術(shù)，當(dāng)采用基于光纖琺珀干涉技術(shù)時(shí)，通過(guò)透射式測(cè)量裝置測(cè)量或者反
5射式測(cè)量裝置測(cè)量，當(dāng)采用光纖Mach-Zehnder干涉技術(shù)時(shí)，采用透射式測(cè)量裝 置測(cè)量，其中所述透射式測(cè)量裝置包括包括激光器、光隔離器、寬譜光源、WDM 、 分路器和光譜分析儀，激光器的輸出光經(jīng)光隔離器后經(jīng)分路器分為兩路，分別
經(jīng)過(guò)WDM耦合進(jìn)采樣區(qū)，實(shí)現(xiàn)光纖光鑷，所述寬譜光源通過(guò)另一光隔離器后 連接WDM進(jìn)入采樣區(qū)，再通過(guò)另一 WDM耦合進(jìn)入光i普分析4義；所述反射式 測(cè)量裝置包括激光器、光隔離器、寬譜光源、WDM、分路器、光環(huán)行器、光譜 分析儀和折射率匹配端，激光器的輸出光經(jīng)光隔離器后經(jīng)分路器分為兩路，分
別經(jīng)過(guò)WDM耦合進(jìn)采樣區(qū)，實(shí)現(xiàn)光纖光鑷，所述寬譜光源通過(guò)光環(huán)形器連接 一 WDM進(jìn)入采樣區(qū)，光譜分析儀連接光環(huán)形器。
按照本發(fā)明所提供的基于光學(xué)拉伸和光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的癌細(xì)胞檢測(cè)方 法，其特征在于，光纖琺珀干涉技術(shù)的琺珀腔通過(guò)兩個(gè)光纖端面或鍍高反射膜 的兩個(gè)光纖端面或兩個(gè)光纖布拉格光才冊(cè)或兩個(gè)光纖啁嗽布拉格光4冊(cè)構(gòu)成。
所述的光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)通過(guò)寬譜光源和光語(yǔ)分析儀來(lái)檢測(cè)光纖琺珀干涉 儀和光纖Mach-Zehnder干涉儀的干涉條紋譜。
所述的光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)通過(guò)波長(zhǎng)掃描型窄譜激光器、光電探測(cè)器和數(shù)據(jù)
所i^l的光纟千干涉#感沖支*包4舌iti纟千法玉白干涉寺支^牙口^纟千Mach-Zehnder干涉技術(shù)。
本發(fā)明提出一種基于光學(xué)拉伸和光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的癌細(xì)胞檢測(cè)方法，采用 光纖雙光束光鑷捕獲并沿光軸方向拉伸細(xì)胞，同時(shí)采用集成的光纖琺珀干涉儀或 光纖Mach-Zehnder干涉儀檢測(cè)細(xì)胞被拉伸后的光程差。由于癌細(xì)胞的彈性模量 普遍比同類的正常細(xì)胞小，當(dāng)使用相同的激光功率拉伸細(xì)胞時(shí)，癌細(xì)胞的形變比 正常細(xì)胞大，光程差的變化量也更大。因此，當(dāng)細(xì)胞^皮拉伸時(shí)，光纖琺珀干涉儀 或光纖Mach-Zehnder干涉儀的干涉條紋會(huì)發(fā)生漂移。激光功率越大，細(xì)胞被拉 伸的形變?cè)酱?，干涉條紋漂移量也越大。由于引入了光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，該方法 與傳統(tǒng)的顯微成像方法相比，具有測(cè)量精度高，集成性好等優(yōu)點(diǎn)。
圖1是實(shí)施例一的微流通道和光纖布拉格光柵琺珀干涉4義；圖2是實(shí)施例一的基于光學(xué)拉伸和光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的癌細(xì)胞檢測(cè)方法的
透射式裝置原理圖3是實(shí)施例一的基于光學(xué)拉伸和光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的癌細(xì)胞檢測(cè)方法的 反射式裝置原理圖。
圖中1為玻璃基底、2和3為玻璃基底上刻蝕的微槽、4和5光纖布拉格 光柵、6為單個(gè)活細(xì)胞、7為980nm激光器、8為980nm光隔離器、9為分路器、 10和11為WDM、 12為圖1所示的部分、13為C波段寬語(yǔ)光源、14為1550歸 光隔離器、15為光譜分析儀、16為光環(huán)行器、17為折射率匹配端。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述 實(shí)施例一
圖1是集成的微流通道和光纖布拉格光柵琺珀干涉儀。在一塊玻璃基底1 上加工兩根相互垂直的微槽2、 3,微槽2作為細(xì)胞懸浮液的采樣通道，微槽3 用來(lái)固定光纖布拉格光柵4、 5。光纖端面之間的區(qū)域?yàn)椴蓸訁^(qū)。通過(guò)進(jìn)樣針或 注射泵將細(xì)胞懸浮液注射進(jìn)采樣微槽，使細(xì)胞6單個(gè)通過(guò)采樣區(qū)。
采用光纖雙光束光鑷捕獲和拉伸細(xì)胞。光鑷光源7采用980nm激光器，也 可以采用其他波長(zhǎng)的激光器，如1064nm，要求該波長(zhǎng)的水吸收較弱，并且激光 功率4支大，在100mW至2W之間，以^f更使細(xì)胞產(chǎn)生較大形變。光隔離器8避免 980nm激光透射過(guò)采樣區(qū)后重新回到激光器，避免對(duì)激光器造成損壞。980nm 波長(zhǎng)的激光通過(guò)50: 50分路器9均分為兩路，再分別通過(guò)WDM(10和ll)耦合 進(jìn)采樣部分12。釆樣部分12為圖1所示的部分。當(dāng)單個(gè)細(xì)胞6通過(guò)采樣區(qū)時(shí)， 980nm激光在采樣區(qū)相對(duì)傳輸形成光阱，將細(xì)胞捕獲。此時(shí)光纖光鑷激光器的 初始功率P。較小，細(xì)胞的形變可以忽略。
細(xì)胞被捕獲之后，通過(guò)光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)第一次記錄干涉條紋i普。然后增 加980nm激光器的功率至Pi,使細(xì)胞在光軸方向被拉伸。激光功率越大，細(xì)胞 的拉伸形變也越大，并在一定范圍內(nèi)呈線性。由于細(xì)胞折射率略高于緩沖液的 折射率，細(xì)胞的拉伸形變使得采樣區(qū)的光程差增加，從而引起干涉條紋漂移。 在激光功率Pi時(shí)第二次記錄干涉條紋譜，計(jì)算出兩次測(cè)量的同一級(jí)干涉條紋在 激光功率Pi和P。時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)之差，稱之為干涉條紋的漂移量。由于癌細(xì)胞的彈性模量比正常細(xì)胞小，因此相同激光功率作用于癌細(xì)胞時(shí)，產(chǎn)生的形變比正 常細(xì)胞大，癌細(xì)胞對(duì)應(yīng)的條紋漂移量與激光功率關(guān)系曲線的斜率比正常細(xì)胞大。 比較拉伸待測(cè)細(xì)胞的條紋漂移量與相同激光功率拉伸正常細(xì)胞的條紋漂移量， 可以判定待測(cè)細(xì)胞是否為癌細(xì)胞。
也可以連續(xù)改變激光功率P。測(cè)量一系列的條紋漂移量，得到條紋漂移量 與激光功率的關(guān)系曲線。根據(jù)曲線斜率可以確定待測(cè)細(xì)胞是否為癌細(xì)胞。
上述光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)可以采用光纖琺珀干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)、光纖
Mach-Zehnder干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)等。當(dāng)采用光纖琺珀干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)時(shí)，可以通過(guò)圖 2所示的透射式測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)圖3所示的反射式測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)。在 高精細(xì)度琺珀腔或Mach-Zehnder干涉儀情況下，采用透射式測(cè)量裝置，在低精 細(xì)度琺珀腔情況下，采用反射式測(cè)量裝置。干涉條紋解調(diào)通過(guò)以下兩種方式之 一實(shí)現(xiàn)第一，釆用寬譜光源和光譜分析儀；第二，采用可調(diào)諧激光器、探測(cè) 器和采集卡。
采用第一種方案時(shí)，寬i普光源13經(jīng)隔離器14后通過(guò)WDM耦合進(jìn)采樣區(qū)， 再通過(guò)另一 WDM耦合進(jìn)光譜分析儀15。由光譜分析儀15測(cè)量采樣區(qū)僅有細(xì)胞 緩沖液時(shí)某一級(jí)干涉條紋的波長(zhǎng)Xo。也可以采用第二種方案測(cè)量干涉條紋的漂 移量，即可調(diào)諧激光器、探測(cè)器和采集卡的方式測(cè)量緩沖液中有無(wú)細(xì)胞的干 涉條紋漂移。如圖3所示，也可以采用反射式測(cè)量裝置測(cè)量干涉條紋漂移量。
測(cè)量干涉條紋的漂移量。
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權(quán)利要求
1、一種基于光學(xué)拉伸和光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的癌細(xì)胞檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟①設(shè)置采樣區(qū)在一塊玻璃基板上加工兩條相互交叉垂直的微槽，一條為待測(cè)細(xì)胞的懸浮液的采樣通道，另一條用來(lái)固定光纖并形成光纖光鑷，光纖端面之間的采樣通道區(qū)域?yàn)椴蓸訁^(qū)；②捕獲待測(cè)細(xì)胞通過(guò)進(jìn)樣針或注射泵將細(xì)胞懸浮液注射進(jìn)采樣通道，使細(xì)胞懸浮液中的細(xì)胞單個(gè)通過(guò)采樣區(qū)，通過(guò)光纖雙光束光鑷將細(xì)胞捕獲，此時(shí)光纖光鑷的激光器的功率P0較小，細(xì)胞的形變忽略；③測(cè)量光譜功率為P0時(shí)采用光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)測(cè)量反射光譜或透射光譜的干涉條紋；④拉伸待測(cè)細(xì)胞增加光纖光鑷的激光器的功率至Pi，使細(xì)胞在光軸方向被拉伸；⑤測(cè)量條紋漂移量在激光功率為Pi時(shí)重復(fù)步驟③，并計(jì)算出某一級(jí)干涉條紋的漂移量，根據(jù)條紋漂移量的大小來(lái)判斷待測(cè)細(xì)胞是否為癌細(xì)胞。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)拉伸和光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的癌細(xì)胞檢測(cè) 方法，其特征在于，所述光纖傳感技術(shù)包括光纖琺珀干涉技術(shù)和光纖 Mach-Zehiider千涉技術(shù)，當(dāng)采用基于光纖琺珀干涉技術(shù)時(shí)，通過(guò)透射式測(cè)量裝 置測(cè)量或者反射式測(cè)量裝置測(cè)量，當(dāng)采用光纖Mach-Zehnder干涉技術(shù)時(shí)，采用 透射式測(cè)量裝置測(cè)量，其中所述透射式測(cè)量裝置包括包括激光器、光隔離器、 寬譜光源、WDM、分路器和光譜分析儀，激光器的輸出光經(jīng)光隔離器后經(jīng)分路 器分為兩路，分別經(jīng)過(guò)WDM耦合進(jìn)采樣區(qū)，實(shí)現(xiàn)光纖光鑷，所述寬譜光源通 過(guò)另一光隔離器后連接WDM進(jìn)入采樣區(qū)，再通過(guò)另一 WDM耦合進(jìn)入光鐠分 析儀；所述反射式測(cè)量裝置包括激光器、光隔離器、寬譜光源、WDM、分路器、 光環(huán)行器、光譜分析儀和折射率匹配端，激光器的輸出光經(jīng)光隔離器后經(jīng)分路 器分為兩路，分別經(jīng)過(guò)WDM耦合進(jìn)采樣區(qū)，實(shí)現(xiàn)光纖光鑷，所述寬譜光源通 過(guò)光環(huán)形器連接一 WDM進(jìn)入采樣區(qū)，光譜分析儀連接光環(huán)形器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)拉伸和光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的癌細(xì)胞檢測(cè) 方法，其特征在于，光纖琺珀干涉技術(shù)的琺珀腔通過(guò)兩個(gè)光纖端面或鍍高反射膜的兩個(gè)光纖端面或兩個(gè)光纖布拉格光柵或兩個(gè)光纖啁啾布拉格光柵構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光學(xué)拉伸和光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的癌細(xì)胞檢測(cè)方法，包括以下步驟①設(shè)置采樣區(qū)；②捕獲待測(cè)細(xì)胞；③測(cè)量光譜；④拉伸待測(cè)細(xì)胞；⑤測(cè)量條紋漂移量。該方法根據(jù)癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的彈性模量不同，通過(guò)測(cè)量細(xì)胞被拉伸后產(chǎn)生的光程變化來(lái)區(qū)分癌細(xì)胞和正常細(xì)胞。由于引入了光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，該方法與傳統(tǒng)的顯微成像方法相比，具有測(cè)量精度高，集成性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/45GK101634629SQ20091016427
公開日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月27日
發(fā)明者宇 郭, 饒?jiān)平? 元 龔 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)