集成太赫兹和拉曼光谱的多光谱纳米阵列芯片和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种集成太赫兹和拉曼光谱的多光谱纳米阵列芯片和应用，包括纳米天线和位于纳米天线表面的金纳米柱，所述纳米天线横轴可放大太赫兹波信号，所述金纳米柱纵轴可放大拉曼散射信号，通过横轴和纵轴的尺寸设计使得纳米天线在太赫兹波和拉曼光谱内均具有等离子体共振信号放大效应。将纳米天线设计阵列排列，在不同单元包被不同亲和受体，可实现多种肿瘤标志物的高通量检测，且灵敏度能达到pM量级，对临床检测样本中微量肿瘤标志物具有重要意义。

Multispectral nanoarray chips integrated terahertz and Raman spectra and their applications

【技术实现步骤摘要】
集成太赫兹和拉曼光谱的多光谱纳米阵列芯片和应用
本专利技术属于医学检测领域，涉及集成太赫兹和拉曼光谱的多光谱纳米阵列，还涉及检测生物传感器和应用。
技术介绍
肿瘤是严重威胁人类健康的疾病，全球每年肿瘤死亡例数约为820万，其死亡率高居常见疾病中的第二位。肿瘤的早期筛查有助于提高患者检出率并及时采取有效治疗措施。组织病理学活检和影像学检查是目前临床上肿瘤诊断的主要手段。作为诊断的“金标准”，组织病理学活检因其有创性而不适用于大规模筛查。影像学检查费用较高，其准确性高度依赖操作医师的个人经验。因此，研发适于推广的肿瘤高危人群早期筛查新技术对于尽早诊断和治疗肿瘤，提高患者生存率及改善预后具有重要意义。肿瘤标志物的检测具有快速、简便且适合推广的特点，为早期肿瘤的大规模筛查提供了新思路。目前肿瘤标志物的检测主要依靠电化学发光免疫分析法(ECLIA)和酶联免疫分析法(ELISA)。ECLIA的检测灵敏度较高，但需额外引入电化学发光剂。而ELISA检测时间较长，灵敏度仅为nM量级，难以直接实现血液中肿瘤标志物的微量检测。因此，现有的检测方法受到检测灵敏度和特异性的制约，难以满足多种肿瘤标志物联合检测的需求。太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率为0.1-10THz，波长为30-3000μm的电磁波。THz光谱可以探测生物大分子间包括范德华力、氢键、分子间共振和偶极子旋转等弱相互作用，并可通过不同的吸收峰和强度来表征生物物质的分子结构。但是由于大多数生物样本所处的液相环境对THz波具有强烈的吸收，采用THz光谱检测肿瘤标志物样本虽然可以通过吸收曲线等对物质进行高灵敏检测，但是却容易受实验环境干扰，稳定性较差。拉曼光谱是以拉曼散射为基础的检测技术，可以实现不同生物分子的定性和定量分析。但其所需检测时间较长，需数分钟才能稳定显示出物质各基团特征峰，单用拉曼光谱难以在短时间内快速获取光谱信号。这两种光谱技术用于肿瘤标志物检测时各具独特优势与不足，将二者联用是否能互补长短，进一步带来提升特异性、检测速度和准确性未见报道，并且目前并无适用于集成太赫兹和拉曼光谱检测的装置。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供集成太赫兹和拉曼光谱的多光谱纳米阵列；本专利技术的目的之二在于提供含有所述多光谱纳米阵列的生物传感单元；本专利技术的目的之三在于提供基于多个所述生物传感单元的肿瘤标志物高通量检测传感器；本专利技术的目的之四在于提供所述生物传感单元或所述高通量检测传感器在检测肿瘤标志物中的应用；本专利技术的目的之五在于提供基于所述多光谱纳米阵列的生物传感单元的检测肿瘤标志物的方法；本专利技术目的之六在于提供基于所述肿瘤标志物高通量检测传感器的检测肿瘤标志物的方法。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：1、集成太赫兹和拉曼光谱的多光谱纳米阵列，包括纳米天线和位于纳米天线表面的金纳米柱，所述纳米天线横轴能放大太赫兹波信号；所述金纳米柱纵轴高度能放大拉曼散射信号，通过横轴和纵轴的尺寸设计使纳米天线阵列在太赫兹波和拉曼光谱内均具有等离子体共振信号放大效应。作为本专利技术优选的技术方案，所述纳米天线横轴长度大于10μm。作为本专利技术优选的技术方案，所述纳米天线横轴长度为10～50μm，所述纳米天线宽为30～100nm，高为10～50nm，材料为金。作为本专利技术优选的技术方案，所述金纳米柱纵轴高度为50nm，金纳米柱直径为100～200nm，间隙尺寸为100～200nm。2、基于所述多光谱纳米阵列的生物传感单元。作为本专利技术优选的技术方案，所述生物传感单元以玻璃或硅为基底，基底上设置下层纳米天线，并在纳米天线上设置金纳米柱。3、基于所述多光谱纳米阵列的肿瘤标志物高通量检测生物传感器，所述肿瘤标志物高通量检测生物传感器中含有多个纳米阵列单元，每个阵列单元具有独立的反应池并串联连通；末端单元为未包被亲和受体作为空白参考，其余单元多光谱纳米阵列表面分别包被不同肿瘤标志物的亲和受体。4、所述生物传感单元或所述肿瘤标志物高通量检测生物传感器在检测肿瘤标志物中的应用。5、基于所述多光谱纳米阵列的生物传感单元的检测肿瘤标志物的方法，具体步骤如下：1)采集待检生物样品，收集上清制成待检测样品；2)取步骤1)采集的待检测样品加入包被特异识别肿瘤标志物受体的生物传感单元，置于37℃孵育20分钟，使受体与待测样品中的待测标志物进行特异结合；3)将反应后的生物传感单元进行THz光谱扫描分析，选择光栅扫描方式沿样本注入方向从左到右，由上至下，在2分钟内完成检测；根据空白参考单元的响应信号和靶物质的最低响应阈值，去除非特异性吸附及阵列边界处杂散响应的干扰，判别生物传感单元表面捕获探针和肿瘤标志物的结合状态；4)对有THz光谱信号响应改变的区域，进一步使用拉曼光谱进行物质的定量分析，将拉曼光斑聚焦于THz光谱信号响应最大值处，采用平面扫描方式进行物质的拉曼信号分析，获取金纳米柱增强的拉曼特征峰的强度；5)通过将样本的拉曼特征峰强度带入由标准品制备的标准曲线中得到待测物质的浓度，从而实现样本的定量检测。6、基于所述肿瘤标志物高通量检测生物传感器的高通量检测肿瘤标志物的方法，具体步骤如下：1)采集待检生物样品，收集上清制成待检测样品；2)取步骤1)采集的待检测样品加入包被特异识别多种肿瘤标志物受体的传感器，使受体与血清中的不同的待测肿瘤标志物进行特异结合；3)将反应后的传感器进行THz光谱扫描分析，选择光栅扫描方式沿样本注入方向从左到右，由上至下，在2分钟内完成检测；根据空白参考单元的响应信号和靶物质的最低响应阈值，去除非特异性吸附及阵列边界处杂散响应的干扰，判别传感器表面捕获探针和肿瘤标志物的结合状态；4)对有THz光谱信号响应改变的阵列区域，进一步使用拉曼光谱进行物质的定量分析，将拉曼光斑聚焦于THz光谱信号响应最大值处，采用平面扫描方式进行物质的拉曼信号分析，获取金纳米柱增强的拉曼特征峰的强度；5)通过将样本的拉曼特征峰强度带入由对应待测肿瘤标志物的标准品制备的标准曲线中得到待测物质的浓度，从而实现样本的定量检测。进一步优选的，多种肿瘤标志物分别为OPN、TIMP-1、MIC-1、CA199和CA242，受体分别为特异识别OPN、TIMP-1、MIC-1、CA199和CA242的亲和受体。本专利技术的有益效果在于：(1)THz光谱可以探测生物大分子间包括范德华力、氢键、分子间共振和偶极子旋转等弱相互作用，并可通过不同的吸收峰和强度来表征生物物质的分子结构。拉曼光谱是以拉曼散射为基础的检测技术，可以实现不同生物分子的定性和定量分析。这两种光谱技术用于肿瘤标志物检测时各具独特优势与不足，将二者联用可互补长短，进一步带来提升特异性、检测速度和准确性的有益技术效果。①提升特异性：由于大多数生物样本所处的液相环境对THz波具有强烈的吸收，采用THz光谱检测肿瘤标志物样本虽然可以通过吸收曲线等对物质进行高灵敏检测，但是却容易受实验环境干扰，稳定性较差。而拉曼光谱中的特征峰尖锐而特异，不容易受水分子的影响，具备稳定获取检测结果的优势，可以有效弥补THz光谱特异性不足的缺点。②提升检测速度与通量：尽管拉曼光谱技术具有高特异性的优势，但其所需检测时间较长，需数分钟才能稳定显示出物质各基团特征峰，单用拉曼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.集成太赫兹和拉曼光谱的多光谱纳米阵列，其特征在于：包括纳米天线和位于纳米天线表面的金纳米柱，所述纳米天线横轴能放大太赫兹波信号；所述金纳米柱纵轴能放大拉曼散射信号，通过横轴和纵轴的尺寸设计使纳米天线阵列在太赫兹波和拉曼光谱内均具有等离子体共振信号放大效应。

【技术特征摘要】
1.集成太赫兹和拉曼光谱的多光谱纳米阵列，其特征在于：包括纳米天线和位于纳米天线表面的金纳米柱，所述纳米天线横轴能放大太赫兹波信号；所述金纳米柱纵轴能放大拉曼散射信号，通过横轴和纵轴的尺寸设计使纳米天线阵列在太赫兹波和拉曼光谱内均具有等离子体共振信号放大效应。2.根据权利要求1所述集成太赫兹和拉曼光谱的多光谱纳米阵列，其特征在于：所述纳米天线横轴长度大于10μm。3.根据权利要求1所述集成太赫兹和拉曼光谱的多光谱纳米阵列，其特征在于：所述纳米天线横轴长度为10～50μm，所述纳米天线宽为30～100nm，高为10～50nm，材料为金。4.根据权利要求1所述集成太赫兹和拉曼光谱的多光谱纳米阵列，其特征在于：所述金纳米柱纵轴高度为50nm，金纳米柱直径为100～200nm，间隙尺寸为100～200nm。5.基于权利要求1～4任一项所述多光谱纳米阵列的生物传感单元。6.根据权利要求5所述的生物传感单元，其特征在于：所述生物传感单元以玻璃或硅为基底，基底上设置下层纳米天线，并在纳米天线上设置金纳米柱。7.基于权利要求1～任一项所述多光谱纳米阵列的肿瘤标志物高通量检测生物传感器，其特征在于：所述肿瘤标志物高通量检测生物传感器中含有多个纳米阵列单元，每个阵列单元具有独立的反应池并串联连通；末端单元为未包被亲和受体作为空白参考，其余单元多光谱纳米阵列表面分别包被不同肿瘤标志物的亲和受体。8.权利要求5～6任一项所述生物传感单元或权利要求7所述肿瘤标志物高通量检测生物传感器在检测肿瘤标志物中的应用。9.基于权利要求5或6所述多光谱纳米阵列的生物传感单元的检测肿瘤标志物的方法，其特征在于，具体步骤如下：1)采集待检生物样品，收集上清制成待检测样品；2)取步骤1)采集的待检测样品加入包被特异识别肿瘤标志...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨翔，府伟灵，杨柯，张阳，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军军医大学第一附属医院，
类型：发明
国别省市：重庆,50