专利名称：一种基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法
技术领域：
本发明涉及癌细胞检测技术领域，具体涉及一种基于光学拉伸和光纤干涉传
感技术的癌细胞^r测方法。
背景技术：
癌症对人类健康和生命的威胁很大。全世界每年约有上千万人新患癌症或 死于癌症。许多癌症初发时没有病状， 一旦发展到中晚期，将错过最佳治疗时 期，因此早期诊断、早期治疗尤为重要。目前肺瘤的检测主要依靠手术和切片， 将活体组织从体内取出，放到显微镜下观察，如果发现癌细胞，则确诊为癌症。 这种方式的缺点一是病人痛苦比较大，二是费用较高。过去通常利用影像学方 法检测癌症，如X光、B超和CT等，还有直接手术或做病变组织穿刺活检等方 法，但很难对肿瘤做出早期诊断，且对人体有较大伤害。而且目前的方法很难 检测出治疗后的残余癌细胞。因此，发展无伤害、灵敏精确、低成本的癌细胞 才佥测方法迫在眉睫。
流式细胞术(FCM)采用流式细胞仪对细胞悬液进行快速分析，通过对流动液 体中排列成单列的细胞进行逐个检测，得到该细胞的光散射和荧光指标，以此 达到分选癌细胞的目的。其检测速度快、测量准确，是目前临床4全测某些癌细 胞的常用方法。但是流式细胞仪在^r测和分选细胞之前需要制备荧光素标记抗 体，并且对细胞进行染色，操作过程比较复杂。抗体和流式细胞仪均非常昂贵。
2007年Cross等人通过原子力显微镜(AFM)发现癌细胞的表面弹性比正常 细胞柔软70%,详见Nature Nanotechnology, 2(12), 780-783 (2007)。他们利用该 方法证实肺癌、乳癌、胰腺癌、肝癌等多种细胞癌变后变得柔软的多。正常细 胞发生癌变后，形状和内部结构会随之发生改变，癌细胞因此变得更软。因此 可以通过纟企测细胞弹性或细胞形变来4全测癌细胞。
Guck等人曾提出一种光纤双光束光镊(即Optical Stretcher),采用两束相对 传输的、略微发散的激光束形成光阱，用于捕获并拉伸单个活细胞，详见Phys. Rev. Lett. 84(23), 5451-5454 (2000)。光纤双光束光4聂与传统的单光束光镊相比，有两个优点。第一，由于激光束略微发散，作用于细胞的能量密度不高，减小 了对活细胞的破坏。第二，双光束光镊可以方便的拉伸细胞，避免了单光束光
镊中在细胞表面固定微珠的步骤。然而，Guck等人采用显微成像方法检测细胞
的尺寸和形变，测量^f青度有限。在确定细胞尺寸的过程中，细胞与緩冲液的边 界比较模糊，致使测量精度受到一定限制。采用显微成像方法研究尺寸较小的 细胞时，精确测量细胞的形变存在难度。而光纤干涉传感技术可以高精度的检
测细胞形变引起的光程差，即当细胞被双光束光镊拉伸后产生形变，细胞沿 光轴方向的光程差会发生变化，从而引起干涉仪输出光谱的条紋移动。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种基于光学拉伸和光纤传感技术的癌 细胞检测方法，该方法根据癌细胞和正常细胞的弹性模量不同，通过测量细胞#皮 *扭伸后产生的光程变化来区分癌细胞和正常细^^。
本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种基于光学拉伸和光纤干 涉传感技术的癌细胞^r测方法，其特征在于，包括以下步骤
① 设置釆样区在一块玻璃基板上加工两条相互交叉垂直的微槽， 一条为 待测细胞的悬浮液的采样通道，另一条用来固定光纤并形成光纤光镊，光纤端 面之间的采样通道区域为采样区；
② 捕获待测细胞通过进样针或注射泵将细胞悬浮液注射进采样通道，使 细胞悬浮液中的细胞单个通过采样区，通过光纤双光束光镊将细胞捕获，此时 光纤光镊的激光器的功率P。较小，细胞的形变忽略；
③ 测量光谱功率为P。时釆用光纤干涉传感技术测量反射光语或透射光谱 的干涉条紋；
④ 拉伸待测细胞增加光纤光镊的激光器的功率至P"使细胞在光轴方向 被拉伸；
⑤ 测量条紋漂移量在激光功率为Pi时重复步骤③，并计算出某一级干涉 条紋的漂移量，根据条紋漂移量的大小来判断待测细胞是否为癌细胞。
按照本发明所提供的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方 法，其特征在于，所述光纤传感技术包括光纤珐珀千涉技术和光纤Mach-Zehnder 干涉技术，当采用基于光纤珐珀干涉技术时，通过透射式测量装置测量或者反
5射式测量装置测量，当采用光纤Mach-Zehnder干涉技术时，采用透射式测量装 置测量，其中所述透射式测量装置包括包括激光器、光隔离器、宽谱光源、WDM 、 分路器和光谱分析仪，激光器的输出光经光隔离器后经分路器分为两路，分别
经过WDM耦合进采样区，实现光纤光镊，所述宽谱光源通过另一光隔离器后 连接WDM进入采样区，再通过另一 WDM耦合进入光i普分析4义；所述反射式 测量装置包括激光器、光隔离器、宽谱光源、WDM、分路器、光环行器、光谱 分析仪和折射率匹配端，激光器的输出光经光隔离器后经分路器分为两路，分
别经过WDM耦合进采样区，实现光纤光镊，所述宽谱光源通过光环形器连接 一 WDM进入采样区，光谱分析仪连接光环形器。
按照本发明所提供的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方 法，其特征在于，光纤珐珀干涉技术的珐珀腔通过两个光纤端面或镀高反射膜 的两个光纤端面或两个光纤布拉格光才册或两个光纤啁嗽布拉格光4册构成。
所述的光纤干涉传感技术通过宽谱光源和光语分析仪来检测光纤珐珀干涉 仪和光纤Mach-Zehnder干涉仪的干涉条紋谱。
所述的光纤干涉传感技术通过波长扫描型窄谱激光器、光电探测器和数据
所i^l的光纟千干涉#感冲支*包4舌iti纟千法玉白干涉寺支^牙口^纟千Mach-Zehnder干涉技术。
本发明提出一种基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法，采用 光纤双光束光镊捕获并沿光轴方向拉伸细胞，同时采用集成的光纤珐珀干涉仪或 光纤Mach-Zehnder干涉仪检测细胞被拉伸后的光程差。由于癌细胞的弹性模量 普遍比同类的正常细胞小，当使用相同的激光功率拉伸细胞时，癌细胞的形变比 正常细胞大，光程差的变化量也更大。因此，当细胞^皮拉伸时，光纤珐珀干涉仪 或光纤Mach-Zehnder干涉仪的干涉条紋会发生漂移。激光功率越大，细胞被拉 伸的形变越大，干涉条紋漂移量也越大。由于引入了光纤干涉传感技术，该方法 与传统的显微成像方法相比，具有测量精度高，集成性好等优点。
图1是实施例一的微流通道和光纤布拉格光栅珐珀干涉4义；图2是实施例一的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法的
透射式装置原理图3是实施例一的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法的 反射式装置原理图。
图中1为玻璃基底、2和3为玻璃基底上刻蚀的微槽、4和5光纤布拉格 光栅、6为单个活细胞、7为980nm激光器、8为980nm光隔离器、9为分路器、 10和11为WDM、 12为图1所示的部分、13为C波段宽语光源、14为1550歸 光隔离器、15为光谱分析仪、16为光环行器、17为折射率匹配端。
具体实施例方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述 实施例一
图1是集成的微流通道和光纤布拉格光栅珐珀干涉仪。在一块玻璃基底1 上加工两根相互垂直的微槽2、 3,微槽2作为细胞悬浮液的采样通道，微槽3 用来固定光纤布拉格光栅4、 5。光纤端面之间的区域为采样区。通过进样针或 注射泵将细胞悬浮液注射进采样微槽，使细胞6单个通过采样区。
采用光纤双光束光镊捕获和拉伸细胞。光镊光源7采用980nm激光器，也 可以采用其他波长的激光器，如1064nm，要求该波长的水吸收较弱，并且激光 功率4支大，在100mW至2W之间，以^f更使细胞产生较大形变。光隔离器8避免 980nm激光透射过采样区后重新回到激光器，避免对激光器造成损坏。980nm 波长的激光通过50: 50分路器9均分为两路，再分别通过WDM(10和ll)耦合 进采样部分12。釆样部分12为图1所示的部分。当单个细胞6通过采样区时， 980nm激光在采样区相对传输形成光阱，将细胞捕获。此时光纤光镊激光器的 初始功率P。较小，细胞的形变可以忽略。
细胞被捕获之后，通过光纤干涉传感技术第一次记录干涉条紋i普。然后增 加980nm激光器的功率至Pi,使细胞在光轴方向被拉伸。激光功率越大，细胞 的拉伸形变也越大，并在一定范围内呈线性。由于细胞折射率略高于緩冲液的 折射率，细胞的拉伸形变使得采样区的光程差增加，从而引起干涉条紋漂移。 在激光功率Pi时第二次记录干涉条紋谱，计算出两次测量的同一级干涉条紋在 激光功率Pi和P。时对应的波长之差，称之为干涉条紋的漂移量。由于癌细胞的弹性模量比正常细胞小，因此相同激光功率作用于癌细胞时，产生的形变比正 常细胞大，癌细胞对应的条紋漂移量与激光功率关系曲线的斜率比正常细胞大。 比较拉伸待测细胞的条紋漂移量与相同激光功率拉伸正常细胞的条紋漂移量， 可以判定待测细胞是否为癌细胞。
也可以连续改变激光功率P。测量一系列的条紋漂移量，得到条紋漂移量 与激光功率的关系曲线。根据曲线斜率可以确定待测细胞是否为癌细胞。
上述光纤干涉传感技术可以采用光纤珐珀干涉传感技术、光纤
Mach-Zehnder干涉传感技术等。当采用光纤珐珀干涉传感技术时，可以通过图 2所示的透射式测量装置实现，也可以通过图3所示的反射式测量装置实现。在 高精细度珐珀腔或Mach-Zehnder干涉仪情况下，采用透射式测量装置，在低精 细度珐珀腔情况下，采用反射式测量装置。干涉条紋解调通过以下两种方式之 一实现第一，釆用宽谱光源和光谱分析仪；第二，采用可调谐激光器、探测 器和采集卡。
采用第一种方案时，宽i普光源13经隔离器14后通过WDM耦合进采样区， 再通过另一 WDM耦合进光谱分析仪15。由光谱分析仪15测量采样区仅有细胞 緩冲液时某一级干涉条紋的波长Xo。也可以采用第二种方案测量干涉条紋的漂 移量，即可调谐激光器、探测器和采集卡的方式测量緩冲液中有无细胞的干 涉条紋漂移。如图3所示，也可以采用反射式测量装置测量干涉条纹漂移量。
测量干涉条紋的漂移量。
8
权利要求
1、一种基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法，其特征在于，包括以下步骤①设置采样区在一块玻璃基板上加工两条相互交叉垂直的微槽，一条为待测细胞的悬浮液的采样通道，另一条用来固定光纤并形成光纤光镊，光纤端面之间的采样通道区域为采样区；②捕获待测细胞通过进样针或注射泵将细胞悬浮液注射进采样通道，使细胞悬浮液中的细胞单个通过采样区，通过光纤双光束光镊将细胞捕获，此时光纤光镊的激光器的功率P0较小，细胞的形变忽略；③测量光谱功率为P0时采用光纤干涉传感技术测量反射光谱或透射光谱的干涉条纹；④拉伸待测细胞增加光纤光镊的激光器的功率至Pi，使细胞在光轴方向被拉伸；⑤测量条纹漂移量在激光功率为Pi时重复步骤③，并计算出某一级干涉条纹的漂移量，根据条纹漂移量的大小来判断待测细胞是否为癌细胞。
2、 根据权利要求1所述的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测 方法，其特征在于，所述光纤传感技术包括光纤珐珀干涉技术和光纤 Mach-Zehiider千涉技术，当采用基于光纤珐珀干涉技术时，通过透射式测量装 置测量或者反射式测量装置测量，当采用光纤Mach-Zehnder干涉技术时，采用 透射式测量装置测量，其中所述透射式测量装置包括包括激光器、光隔离器、 宽谱光源、WDM、分路器和光谱分析仪，激光器的输出光经光隔离器后经分路 器分为两路，分别经过WDM耦合进采样区，实现光纤光镊，所述宽谱光源通 过另一光隔离器后连接WDM进入采样区，再通过另一 WDM耦合进入光镨分 析仪；所述反射式测量装置包括激光器、光隔离器、宽谱光源、WDM、分路器、 光环行器、光谱分析仪和折射率匹配端，激光器的输出光经光隔离器后经分路 器分为两路，分别经过WDM耦合进采样区，实现光纤光镊，所述宽谱光源通 过光环形器连接一 WDM进入采样区，光谱分析仪连接光环形器。
3、 根据权利要求1所述的基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测 方法，其特征在于，光纤珐珀干涉技术的珐珀腔通过两个光纤端面或镀高反射膜的两个光纤端面或两个光纤布拉格光栅或两个光纤啁啾布拉格光栅构成。
全文摘要
本发明公开了一种基于光学拉伸和光纤干涉传感技术的癌细胞检测方法，包括以下步骤①设置采样区；②捕获待测细胞；③测量光谱；④拉伸待测细胞；⑤测量条纹漂移量。该方法根据癌细胞和正常细胞的弹性模量不同，通过测量细胞被拉伸后产生的光程变化来区分癌细胞和正常细胞。由于引入了光纤干涉传感技术，该方法与传统的显微成像方法相比，具有测量精度高，集成性好等优点。
文档编号G01N21/45GK101634629SQ20091016427
公开日2010年1月27日 申请日期2009年8月27日 优先权日2009年8月27日
发明者宇 郭, 饶云江, 元 龚 申请人:电子科技大学