一种用于检测多种肿瘤标志物的光纤SPR传感装置

摘要

本发明涉及一种用于检测多种肿瘤标志物的光纤SPR传感装置，包括光谱发射组件、多芯光纤、SPR传感组件、光谱接收组件和处理器，所述的多芯光纤的两端分别与光谱发射组件和光谱接收组件连接，所述的SPR传感组件内开设空腔，用于盛放待测液体，所述的多芯光纤中，每一芯光纤的中部均设置传感区，每个传感区分别用于检测不同的肿瘤标志物，所述的传感区设置于SPR传感组件空腔内，与待测液体接触，所述的处理器与光谱接收组件连接，与现有技术相比，本发明具有检测效率高、灵敏度高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其是涉及一种用于检测多种肿瘤标志物的光纤SPR传感装置。

背景技术

肿瘤标志物的检测对于癌症患者预后判断、疗效评价和个体化治疗都有着重要的指导作用，常见的肿瘤标志物包括：

癌胚抗原(carcinoembryonic antigen，CEA)是1965年由Gold和Freedman首先从结肠癌和胚胎组织中提取的一种肿瘤相关抗原，是一种具有人类胚胎抗原特性的酸性糖蛋白，存在于内胚层细胞分化而来的癌症细胞表面，是细胞膜的结构蛋白。在细胞浆中形成，通过细胞膜分泌到细胞外，然后进入周围体液。因此，可从血清、脑脊液、乳汁、胃液、胸腹水及尿液、粪便等多种体液和排泄物中检出。

鳞癌抗原SCC是子宫颈鳞癌的首选肿瘤标志物。它的Cutoff值一般在2.5μg/L，SCC参与正常和恶变时的蛋白分解调控，但是并不能单纯仅从该指标升高就确诊是子宫颈鳞癌。需要紧密结合临床及其他检查手段综合判断。另外，部分肺癌、胃癌、卵巢癌患者该指标也会升高。

组织多肽抗原(TPA)的分子量为17000-43000，TPA主要存在于胎盘和大部分肿瘤组织中，各种恶性肿瘤(卵巢癌、结肠癌、直肠癌、肝细胞癌、胰腺癌、肺癌、乳腺癌、子宫内膜癌、睾丸肿瘤等)患者血清TPA的检出率(以>130U/L血清为阳性)可从20％至90％，也有人认为可高达80％-100％。

甲胎蛋白(AFP)是一种糖蛋白，它属于白蛋白家族，主要由胎儿肝细胞及卵黄囊合成。甲胎蛋白与肝癌及多种肿瘤的发生发展密切相关，在多种肿瘤中均可表现出较高浓度，可作为多种肿瘤的阳性检测指标。目前临床上主要作为原发性肝癌的血清标志物，用于原发性肝癌的诊断及疗效监测。

目前肿瘤标志物的检测方法有很多，如流氏荧光技术，运用荧光编码微球标记，在悬液中与微球表面交联分子特异性结合。还有基于免疫磁性原理的自动化分析仪和膜过滤等方法，上述方法都需要提前对血液进行一定的处理，这样操作会破坏样品，而且在后期的分离中造成分离纯度低等问题。

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术是一种集物理光学，材料化学等学科交叉结合的新型传感技术，可运用于生物医学，食品安全，环境检测，化学分析等领域，也可用于肿瘤标志物的检测，但是传统微流芯片加棱镜耦合式SPR传感器通过介导结构迫使样品接触底部金属膜流通过程中的接触效率低，细胞易叠加堵塞，无法高效进行实时数据分析，长时间工作情况下前部管道中血液物质由于重力沉降容易出现堵塞，且不易维护。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于检测多种肿瘤标志物的光纤SPR传感装置，能够快速高效、高灵敏地进行待测样本的折射率传感，同时对多种肿瘤标志物进行检测。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于检测多种肿瘤标志物的光纤SPR传感装置，包括光谱发射组件、多芯光纤、SPR传感组件、光谱接收组件和处理器，所述的多芯光纤的两端分别与光谱发射组件和光谱接收组件连接，所述的SPR传感组件内开设空腔，用于盛放待测液体，所述的多芯光纤中，每一芯光纤的中部均设置传感区，每个传感区分别用于检测不同的肿瘤标志物，所述的传感区设置于SPR传感组件空腔内，与待测液体接触，所述的处理器与光谱接收组件连接；

该装置工作时，所述的SPR传感组件的空腔中盛放待测液体，所述的光谱发射组件发射光源光谱至多芯光纤，所述的多芯光纤的各传感区与待测液体接触并发生SPR现象产生SPR传感光谱，当待测液体中存在一种或多种肿瘤标志物时，所述的多芯光纤中对应传感区产生的SPR传感光谱改变，所述的光谱接收组件接收SPR传感光谱并发送至处理器，所述的处理器对SPR光谱进行数据处理，实现对待测液体中多种肿瘤标志物的检测。

进一步地，所述的多芯光纤中，每一芯光纤分别包括光纤包层、金属膜、肿瘤标志物受体和光纤纤芯，所述的光纤包层包裹于光纤纤芯外，在传感区位置，所述的光纤包层部分去除并裸露出光纤纤芯，所述的金属膜设置于裸露的光纤纤芯上，形成SPR传感结构，所述的肿瘤标志物受体设置于金属膜上，所述的多芯光纤中，每一芯光纤分别对应不同肿瘤标志物的肿瘤标志物受体；

所述的光源光谱在光纤纤芯内通过反射进行传输，在光纤纤芯与金属膜表面发生SPR现象产生SPR传感光谱，当待测液体中存在一种或多种肿瘤标志物时，肿瘤标志物与对应的肿瘤标志物受体结合和解离，引起金属膜表面折射率发生变化，改变透射光强度，对应光纤纤芯与金属膜产生的SPR传感光谱改变。

进一步地，所述的多芯光纤为四芯光纤，所述的肿瘤标志物受体包括偶联的癌胚抗原的受体、偶联的鳞癌抗原SCC的受体、偶联的组织多肽抗原的受体和偶联的甲胎蛋白的受体。

优选地，所述的金属膜为能够激发SPR现象的纳米金属膜。

进一步优选地，所述的金属膜为金膜或银膜。

进一步地，所述的SPR传感组件包括壳体、注液口和排液阀门，所述的空腔开设于壳体内，包括相互连通的液体腔和光纤腔，所述的液体腔设置于壳体中心，用于盛放待测液体，所述的光纤腔均匀分布于液体腔的四周，数量与多芯光纤中光纤芯数相同，其横截面与多芯光纤中每一芯光纤传感区的横截面相互配合，所述的多芯光纤中每一芯光纤的传感区分别设置于各光纤腔中，且金属膜和肿瘤标志物受体朝向液体腔的方向，与待测液体接触，所述的注液口和排液阀门分别与液体腔连通。

进一步地，所述的光谱发射组件包括依次连接的光源、光源尾纤、光纤分束器和第一光纤焊接机，所述的第一光纤焊接机的输出端与多芯光纤的输入端连接，所述的光源用于产生激发SPR现象的激发光，所述的光源尾纤用于传输光源光谱，所述的光纤分束器用于将光源尾纤传输的光分为与多芯光纤对应的多束光，所述的第一光纤焊接机用于将光纤分束器输出的多束光分别注入多芯光纤的各个纤芯内。

进一步地，所述的光谱接收组件包括依次连接的第二光纤焊接机、接收光纤和光谱仪，所述的多芯光纤的输出端与第二光纤焊接机的输入端连接，所述的接收光纤用于接收SPR传感光谱，所述的光谱仪用于接收、显示并记录SPR传感光谱。

优选地，所述的光源产生的激发光为光谱宽度450nm—1100nm的超连续谱光源，所述的光谱仪的光谱宽度范围为450nm—1100nm，所述的待测液体的折射率范围为1.333-1.385，所述的光源尾纤为单模光纤，所述的接收光纤为渐变折射率多模光纤或阶跃多模光纤。

优选地，所述的金属膜的厚度为25nm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明利用光纤SPR传感器的高度集成，实时传输，高灵敏性等特点，合理设计结构，避免了对原始样品的破坏，用微量注射泵加压，打破了传统微流芯片加棱镜耦合式SPR传感器固有的使用形式，在流经通道中形成分布式光纤SPR液体折射率传感装置，能够实时快速、高效的对待测液体实现折射率变化的传感；

2)本发明同时采用多芯光纤规避传统结构只能检测一种肿瘤标志物的缺陷，能同时对多种肿瘤标志物进行检测，将制作检测探头成对称的四面结构，合理设计间距，保证样品经过流管能够接触传感区；

3)本发明实现了由在线传输式SPR传感器，光纤在线实时传导，灵敏度高，相对于微量流通加棱镜耦合式SPR传感器更加精确，构成的四芯并联分布式SPR传感器能够集成在一套传感装置上并联使用，拓宽了光纤SPR传感器的使用方法，可以持续高效进行折射率传感检测，经检测装置检测到的肿瘤标志物传输到处理器上进行实时的分析统计，可以确定肿瘤标志物的种类、浓度，提高了检测速度和准确性，在一定程度上提高了检测品质；

4)本发明制作材料简单易寻，操作过程简单，成本低廉，可以多次重复使用，节约成本，可靠性强。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为SPR传感组件立体结构示意图；

图3为SPR传感组件横截面示意图；

图4为多芯光纤中每一芯光纤传感区的结构示意图。

1、光源，2、光源尾纤，3、光纤分束器，41、第一光纤焊接机，42、第二光纤焊接机，5、SPR传感组件，6、装置台，7、量注射泵，8、光谱仪，9、处理器，10、废液池，11、接收光纤，12、排液阀门，13、多芯光纤，131、光纤包层，132、金属膜，133、肿瘤标志物受体，134、光纤纤芯，14、注液口，15、壳体，151、液体腔，152、光纤腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明公开了一种用于检测多种肿瘤标志物的光纤SPR传感装置，利用光纤SPR传感器的高度集成，实时传输，高灵敏性等特点，合理设计结构，避免了对原始样品的破坏，利用微量注射泵加压，仅需少量样品就能进行检测，而且光纤在线实时传导，高灵敏，相对于之前的微流芯片加棱镜耦合式SPR传感器，更加精确。将制作检测探头成图中特殊，合理设计间距，保证样品在流管能够接触到传感器外表面。最后，经探头检测到的多种肿瘤标志物传输到计算机上进行实时的分析统计，提高了检测速度和准确性。

如图1所示，该装置包括光谱发射组件、多芯光纤13、SPR传感组件5、光谱接收组件和处理器9，SPR传感组件5设置于装置台6上，多芯光纤13的两端分别与光谱发射组件和光谱接收组件连接，SPR传感组件5内开设空腔，用于盛放待测液体，多芯光纤13中，每一芯光纤的中部均设置传感区，每个传感区分别用于检测不同的肿瘤标志物，传感区设置于SPR传感组件5空腔内，与待测液体接触，传感区域用于感知待测液体折射率变化，激发SPR现象，产生SPR传感光谱。

光谱发射组件包括依次连接的光源1、光源尾纤2、光纤分束器3和第一光纤焊接机41，第一光纤焊接机41的输出端与多芯光纤13的输入端连接，光源1用于产生激发SPR现象的激发光，光源尾纤2用于传输光源光谱，光纤分束器3用于将光源尾纤2传输的光分为与多芯光纤13对应的多束光，第一光纤焊接机41用于将光纤分束器3输出的多束光分别注入多芯光纤13的各个纤芯内。

光谱接收组件包括依次连接的第二光纤焊接机42、接收光纤11和光谱仪8，多芯光纤13的输出端与第二光纤焊接机42的输入端连接，接收光纤11用于接收SPR传感光谱，光谱仪8用于接收、显示并记录SPR传感光谱，处理器9采用计算机，与光谱仪8连接，用于记录整和数据。

本实施例中，光源1产生的激发光为光谱宽度450nm—1100nm的超连续谱光源，光纤SPR传感器的共振波长范围为450nm—1100nm，故光源1的光谱宽度需包含450nm—1100nm，即至少为450nm—1100nm，光谱仪8的光谱宽度范围为450nm—1100nm，光谱仪8的光谱宽度至少包含光源1的最小光谱宽度450nm—1100nm，保证可以接收到完整的传感光谱，待测液体的折射率范围为1.333-1.385，光源尾纤2为单模光纤，接收光纤11为渐变折射率多模光纤或阶跃多模光纤。

如图1-图3所示，SPR传感组件5包括壳体15、注液口14和排液阀门12，空腔开设于壳体15内，包括相互连通的液体腔151和光纤腔152，液体腔151设置于壳体15中心，用于盛放待测液体，且分别与注液口14和排液阀门12连通，光纤腔152均匀对称分布于液体腔151的四周，光纤腔152排列成对称型，保证分布合理且均匀，数量与多芯光纤13中光纤芯数相同，其横截面与多芯光纤13中每一芯光纤传感区的横截面相互配合，多芯光纤13中每一芯光纤的传感区分别设置于各光纤腔152中，注液口14与量注射泵7连接，排液阀门12连接至废液池10，排液阀门12可控制流量和闭合状态，本实施例中，传感区横截面为D形，壳体15可由玻璃制备，排液阀门12可以在检测完成后自动打开，放出检测后的样品，经过化学清洗处理后的SPR传感组件5可重复利用。

如图4所示，多芯光纤13中，每一芯光纤分别包括光纤包层131、金属膜132、肿瘤标志物受体133和光纤纤芯134，光纤包层131包裹于光纤纤芯134外，在传感区位置，光纤包层131部分去除并裸露出光纤纤芯134，金属膜132设置于裸露的光纤纤芯134上，形成SPR传感结构，肿瘤标志物受体133设置于金属膜132上，多芯光纤13中，每一芯光纤分别对应不同肿瘤标志物的肿瘤标志物受体133，各肿瘤标志物受体133与对应肿瘤标记物之间存在高亲和力的特异性结合，将赋予金属膜特异性俘获标志物的能力。

本实施例中，多芯光纤13为四芯光纤，四芯光纤按内壁直径100μm，为单模光纤，肿瘤标志物受体133包括偶联的癌胚抗原的受体、偶联的鳞癌抗原SCC的受体、偶联的组织多肽抗原的受体和偶联的甲胎蛋白的受体，金属膜132为能够激发SPR现象的纳米金属膜，优选采用金属膜132为金膜或银膜，金属膜132的厚度优选为25nm。

光源1的输出端连接至光源尾纤2的输入端，光源尾纤2的输出端连接至光纤分束器3的输入端，光纤分束器3的四个输出端分别通过第一光纤焊接机41与多芯光纤13输入端的多个纤芯正对焊接，多芯光纤13输出端的每个纤芯分别通过第二光纤焊接机42与接收光纤11输入端的纤芯正对焊接，最后将信号送入光谱仪8。

该装置工作时，通过微量注射泵7加压使样品均匀流入SPR传感组件5的液体腔151，使液体腔151中盛满待测液体，光谱发射组件发射光源光谱至多芯光纤13，光源光谱在各光纤纤芯134内通过反射进行传输，在光纤纤芯134与金属膜132表面发生SPR现象产生SPR传感光谱；

当待测液体中存在一种或多种肿瘤标志物时，各种肿瘤标志物不断与含有特异性生物分子的金属膜132接触，并被经特异性生化处理的金属膜132表面上的肿瘤标志物受体133所俘获，肿瘤标志物与对应的肿瘤标志物受体133结合和解离，引起金属膜132表面折射率发生变化，改变透射光强度，对应光纤纤芯134与金属膜132产生的SPR传感光谱改变，光谱接收组件接收SPR传感光谱并发送至处理器9，处理器9对SPR光谱进行数据处理，实现对待测液体中多种肿瘤标志物的检测。

由SPR的光学检测系统同步实现标志物的类别分析和浓度计量。由于SPR对金属膜表面电介质的折射率非常敏感，不同电介质其表面等离子体共振角也不同。同种电介质，其附在金属膜表面的量不同，则SPR的响应强度也不同。通过SPR谱峰发生可以观测到的位移也不同，这些信息数据在线及时传输到计算机上，通过光谱分析可以进行高灵敏度的检测，得到准确的数据信息，为病人的诊断和治疗提供指导。

本发明利用光纤SPR传感器的高度集成，实时传输，高灵敏性等特点，合理设计结构，避免了对原始样品的破坏，利用微量样品，用微量注射泵加压，规避传统式结构管样品内标志物收集量缺失。而且光纤在线实时传导，高灵敏，相对于之前的微流芯片加棱镜耦合式SPR传感器，更加精确。将制作检测探头立体对称结构，保证标志物经过管内时能够接触到传感表面。最后，经探头检测到的多种肿瘤标志物信息传输到计算机上进行实时的分析统计，提高了检测速度和准确性，在一定程度上提高了检测品质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。