集成式太赫兹超结构纳米生物芯片及其应用和方法技术

本发明专利技术涉及一种集成式太赫兹超结构纳米生物芯片及其应用和方法，集成式太赫兹超结构纳米生物芯片包括微流控滤膜分选芯片结构和THz超结构信号检测模块，所述微流控滤膜分选芯片结构与THz超结构信号检测模块通过设置有阻隔阀门的通道连接；通过结合过滤膜分选和抗体捕获固定的原理，该芯片具有分选效率高、分选速度快的优点，通过设计特定尺寸的微流体管腔和太赫兹超结构检测阵列，采用氟油置换周围水分子的方法，可极大提高检测灵敏度，适用于循环肿瘤细胞(circulating tumor cells，CTCs)的THz检测；对CTCs集成化、自动化和便携式检测具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
集成式太赫兹超结构纳米生物芯片及其应用和方法
本专利技术属于医学检测领域，涉及集成式太赫兹超结构纳米生物芯片，还涉及该生物芯片的应用和方法。
技术介绍
在原发上皮肿瘤形成和生长的早期，肿瘤细胞便可以通过血流播散到远处器官，这类在外周血中存在的肿瘤细胞被统称为循环肿瘤细胞(circulatingtumorcells，CTCs)。目前的研究认为CTCs是恶性肿瘤出现血路转移的主要生物学基础，其数量的多少与患者的预后关系密切。当外周血中的循环肿瘤细胞数目达到一定阈值后，恶性肿瘤转移的发生几率将大大增加。如果在转移灶出现前就能预测患者将要发生转移，就可以采取更加积极主动的治疗措施，极大的提高癌症患者的生存率。因此对这些循环肿瘤细胞通过不同技术进行早期的富集、检测和分析被认为是对癌症患者进行的实时“液体活检”，其临床指导意义十分巨大。但是由于外周血中的CTCs数目较少，精确分离检测十分困难，因此限制了CTCs相关检测的临床应用。目前包括免疫磁珠法、膜过滤法、密度梯度离心法、流式细胞分析法等在内的传统的CTCs检测方法虽具有较好的检测灵敏度但也存在样本处理复杂、操作过程繁琐、检测时间较长等技术缺陷。为解决上述难题，近些来出现了基于微流体学原理的CTCs检测芯片技术，即利用流体动力学中的惯性聚焦作用进行快速CTCs分选检测，虽然提高了检测速度，但是检测灵敏度较低。综上所述，目前的CTCs检测策略往往只能采取折中方案，高敏感性的方法通常不够快速，而快速分析方法往往敏感度不够。此外，CTCs检测面临的更加关键问题在于:无法判定检测到的细胞是存活的还是凋亡的，而只有功能细胞才能够促成转移灶的形成。因此，有必要寻求能够有效解决上述技术瓶颈的跨学科CTCs检测新技术与新方法。近年来快速发展的太赫兹(THz)波检测技术有望挑战检测CTCs的难题，THz波是指频率在0.1～10THz的电磁波，在电磁波谱中位于毫米波与红外波段之间。THz波对于许多生物物质均具有特殊的响应，当其照射于生物分子时，可有效产生共振吸收从而提供特征识别指纹谱，此外THz波对水分子极其敏感，可用于组织与细胞的区分。同时，1THz的光子能量仅为4.14meV，THz波在穿透细胞时不会发生有害的电离作用。因此THz波检测技术是一种纯物理的安全有效的无损伤、无标记检测技术，近些年来其在生物医学检测领域的应用越来越广。Zhang等人的研究表明THz波具有检测细胞凋亡状态的能力，他们将口腔癌细胞SCC4培养在自行设计的THz超材料传感器上，通过测量超材料共振峰的相对位移来判断细胞的状态，其结果与流式细胞仪的结果存在线性关系。为了验证THz波对细胞生存状态的表征能力，证实了THz超材料传感技术应用于细胞生存状态检测的可行性，THz超材料传感技术具备实现在同一时间节点对CTCs进行直接检测和生存状态判断的物理特征和独特优势。现有的THz超材料传感技术尽管具备检测培养肿瘤细胞的能力，但是要达到直接检测外周血中的CTCs和判断其生存状态的目的，还需要解决两个关键技术问题：快速高效的血液样本预处理和具备单细胞级的检测灵敏度。针对问题一：可通过具有较高分选速度的微流体CTCs检测芯片技术进行血液样本的预处理，但其基于流体动力学的分选原理使得其分选效率较低，同时起分选作用的流体管道结构与THz波的检测光斑直径不匹配，导致了前期样本预处理和后续THz检测步骤必须分离进行，这使得判断CTCs生存状态的真实性难以保证。针对问题二：现有的THz超材料传感技术不具备单细胞级别的检测灵敏度，同时还没有与CTCs检测芯片技术匹配的惯用方法。所以有必要针对上述问题研发出一种能在快速高效的处理血液样本的同时具备单细胞级的检测灵敏度的集成式THz纳米细胞芯片，兼顾检测速度和灵敏度，以实现对CTCs的实时、有效检测和凋亡状态的真实判断。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种集成式太赫兹超结构纳米生物芯片，将具有高效分选效率的滤过膜结构和毫米级微流体管腔结合，然后在原有的THz超材料传感技术的基础上，设计适合于循环肿瘤细胞的具有高分选效率、高分选速度和单细胞级别灵敏度的检测芯片；本专利技术的目的之二在于提供集成式太赫兹超结构纳米生物芯片在检测肿瘤细胞中的应用；本专利技术的目的之三在于提供集成式太赫兹超结构纳米生物芯片的使用方法。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：1、集成式太赫兹超结构纳米生物芯片，包括微流控滤膜分选芯片结构和THz超结构信号检测模块，所述微流控滤膜分选芯片结构与THz超结构信号检测模块通过设置有阻隔阀门Ⅱ的通道连接；所述微流控滤膜分选芯片结构包括过滤与孵育腔室，设置于过滤与孵育腔室上部的入口通道和设置于过滤与孵育腔室下部的出口通道Ⅰ，所述入口通道和出口通道Ⅰ内分别设置有滤膜阀门和阻隔阀门Ⅰ，所述滤膜阀门由聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅰ和阀门开关Ⅰ组成；所述阻隔阀门Ⅰ由无孔径特氟龙膜和阀门开关Ⅱ组成，所述过滤与孵育腔室内部靠近出口通道处设置有聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅱ；所述THz超结构信号检测模块的底部设置有包被捕获抗体的THz超结构信号检测芯片，THz超结构信号检测模块一端设置有出口通道Ⅱ，且靠出口通道Ⅱ处设置有聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅲ。本专利技术优选的，所述THz超结构信号检测芯片由高阻硅基底上阵列排布的金或银制备的杯口状超结构组成，所述杯口状超结构内直径为150μm，外直径为160μm，线宽为5μm，深度为4μm，杯口超结构之间间距为10μm。所述金或银也可以用其他金属材质，但使用金或银效果最优。本专利技术更优选的，所述微流控滤膜分选芯片结构和THz超结构信号检测模块的腔室面积均为5mm×7mm，深度为100μm。本专利技术更优选的，所述聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅰ规格为0.5mm×1mm，孔径为20μm，所述无孔径特氟龙膜的规格为0.5mm×1mm，所述聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅱ规格为0.5×5mm，孔径为20μm，所述聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅲ的规格为0.5mm×5mm，孔径为20μm。本专利技术最优选的，所述入口通道和出口通道Ⅰ的直径为1mm，长度为100μm，所述聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅱ设置于距离出口通道Ⅰ1mm处；所述出口通道Ⅱ的直径为1mm，长度为100μm，所述聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅲ设置于靠近出口通道Ⅱ1mm处。2、所述集成式太赫兹超结构纳米生物芯片在检测肿瘤细胞中的应用。优选的，所述肿瘤细胞为循环肿瘤细胞。更优选的，所述循环肿瘤细胞为乳腺癌MDA-MB-231细胞。3、所述集成式太赫兹超结构纳米生物芯片的使用方法，包括如下步骤：(1)将待检测样本用流体注射泵注入过滤和孵育腔室内，滤除红细胞；(2)然后向THz超结构信号检测模块中注入含标记抗体的纳米金颗粒溶液，孵育，使纳米颗粒上标记的抗体与肿瘤细胞相连接；(3)向过滤和孵育腔室内注入PBS缓冲液，使过滤和孵育腔室中的液体进入THz超结构信号检测模块，并排除未结合肿瘤细胞的纳米颗粒；(4)将THz超结构信号检测模块孵育，使细胞-纳米颗粒聚合物被THz超结构信号检测芯片阵列上的捕获抗体固定，随后注入PBS缓冲液冲洗白细胞；(5)从THz超结构信号检测模块中通入氟油，置换腔室内的水层；(6)将THz超结构信号检测模块用红外线发射器激发纳米颗粒产生局域表面等离子体共振本文档来自技高网...

【技术保护点】
集成式太赫兹超结构纳米生物芯片，其特征在于：包括微流控滤膜分选芯片结构和THz超结构信号检测模块，所述微流控滤膜分选芯片结构与THz超结构信号检测模块通过设置有阻隔阀门Ⅱ的通道连接；所述微流控滤膜分选芯片结构包括过滤与孵育腔室，设置于过滤与孵育腔室上部的入口通道和设置于过滤与孵育腔室下部的出口通道Ⅰ，所述入口通道和出口通道Ⅰ内分别设置有滤膜阀门和阻隔阀门Ⅰ，所述滤膜阀门由聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅰ和阀门开关Ⅰ组成；所述阻隔阀门Ⅰ由无孔径特氟龙膜和阀门开关Ⅱ组成，所述过滤与孵育腔室内部靠近出口通道处设置有聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅱ；所述THz超结构信号检测模块的底部设置有包被捕获抗体的THz超结构信号检测芯片，THz超结构信号检测模块一端设置有出口通道Ⅱ，且靠出口通道Ⅱ处设置有聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅲ。

【技术特征摘要】
1.集成式太赫兹超结构纳米生物芯片，其特征在于：包括微流控滤膜分选芯片结构和THz超结构信号检测模块，所述微流控滤膜分选芯片结构与THz超结构信号检测模块通过设置有阻隔阀门Ⅱ的通道连接；所述微流控滤膜分选芯片结构包括过滤与孵育腔室，设置于过滤与孵育腔室上部的入口通道和设置于过滤与孵育腔室下部的出口通道Ⅰ，所述入口通道和出口通道Ⅰ内分别设置有滤膜阀门和阻隔阀门Ⅰ，所述滤膜阀门由聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅰ和阀门开关Ⅰ组成；所述阻隔阀门Ⅰ由无孔径特氟龙膜和阀门开关Ⅱ组成，所述过滤与孵育腔室内部靠近出口通道处设置有聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅱ；所述THz超结构信号检测模块的底部设置有包被捕获抗体的THz超结构信号检测芯片，THz超结构信号检测模块一端设置有出口通道Ⅱ，且靠出口通道Ⅱ处设置有聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅲ。2.根据权利要求1所述集成式太赫兹超结构纳米生物芯片，其特征在于：所述THz超结构信号检测芯片由高阻硅基底上阵列排布的金或银制备的杯口状超结构组成，所述杯口状超结构内直径为150μm，外直径为160μm，线宽为5μm，深度为4μm，杯口超结构之间间距为10μm。3.根据权利要求1所述集成式太赫兹超结构纳米生物芯片，其特征在于：所述微流控滤膜分选芯片结构和THz超结构信号检测模块的腔室面积均为5mm×7mm，深度为100μm。4.根据权利要求1所述集成式太赫兹超结构纳米生物芯片，其特征在于：所述聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅰ规格为0.5mm×1mm，孔径为20μm，所述无孔径特氟龙膜的规格为0.5mm×1mm，所述聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅱ规格为0.5×5mm，孔径为20μm，所述聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅲ的规格为0.5mm×5mm，孔径为20μm。5.根据权利要求1所述集成式太赫兹超结构纳米生物芯片，其特征在于：所述入口通道和出口通道Ⅰ的直径为1mm，长度为100μm，所述聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅱ设置于距离出口通道Ⅰ1mm处；所述出口通道Ⅱ的直径为1mm，长度为100μm，所述聚氯乙烯微孔过滤膜Ⅲ设置于靠近出口通道Ⅱ1mm处。6.权利要求1～5任一项所述集成式太赫兹超结构纳米生物芯片在检测肿瘤细胞中的应用。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨柯，府伟灵，杨翔，
申请(专利权)人：中国人民解放军第三军医大学第一附属医院，
类型：发明
国别省市：重庆,50