[发明专利]高俘获率高灵敏度的微流控SPR生物传感方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术、SPR(Surface Plasmon Resonance)传感技术和微结构流场控制技术，尤其涉及一种高俘获率高灵敏度的微流控SPR生物传感方法和装置。

背景技术

恶性肿瘤是我国当前严重危害人类生命和健康的重大疾病之一，尽管发展了包括免疫治疗、生物治疗和基因治疗在内的系列治疗新手段，但癌症病人的整体治疗效果却并未有实质性提高，原因之一是没能早期发现。事实上，我国癌症死亡率在过去30年增长达八成以上，而且过多资源用于中晚期患者的治疗。目前肿瘤的发现和诊断仍高度依赖于医学影像学、肿瘤特异性血清标志物和组织活检。医学影像学方法，如超声(US)、计算机断层显像(CT)、磁共振显像(MRI)和正电子发射断层显像(PET)，在灵敏度与分辨率上具有很大的局限性，一毫米以下的肿瘤检测不到，而且往往费用昂贵。基于分子标记和基因技术的血清肿瘤标志物检测方法，已经广泛应用于人群的肿瘤筛查，但这些标志物的特异性大多不高，而且存在着安全性问题。组织活检是确诊肿瘤的有效方法，但这种侵入性的检查手段难以成为常规方法广泛采用。因此，研究开发简单、高灵敏度的肿瘤筛查方法，发展床边检验所需的肿瘤筛查与监测技术和仪器，对缓解我国面临的医疗卫生方面的压力，提高人类的健康水平和生活质量起着至关重要的作用。

原发肿瘤在早期阶段就有肿瘤细胞脱落到循环系统成为循环肿瘤细胞(CTC)，与肿瘤进程、疗效监测、转移复发和预后等临床指标具有相关性。但癌症初期只有非常痕量的CTC，要实现其成功检出必须提高CTC的俘获效率与检测仪器的灵敏度。体外流式细胞术、光纤束扫描成像术、免疫细胞化学检测、转录多聚酶链反应、免疫磁性分离术等都可用于检测血液样品中的CTC，但这些方法往往需要血液的预处理，CTC分离效率和纯度也有待进一步提高。现行微流控芯片技术的特点在于操纵微量样品，具有集成度高、样品耗量小、污染少等诸多其他常量流控技术难以具备的优点，但由于微流控芯片的通道一般在微米量级，并不适合大通量血样的快速分析。如1毫升的全血以1mm/s的速度流经30μm×30μm的微通道，需要耗时12.9天，无法满足快速分析的要求。新近报道的CTC芯片，演示了直接针对全血样品实施高通量、高灵敏度CTC俘获的可行性，是微流控细胞分析方法的重要进展。不过，CTC的检测采用了荧光染色和后续的荧光显微镜观察与CTC计数，这种针对痕量CTC样品的附加处理步骤易造成CTC的丢失和污染，因而直接影响检查结果的判断。而且，CTC俘获与观察分开来进行也制约了最后的分析速度。集成化微流控技术是解决这一问题的根本途径和一大发展趋势，如将光学、电化学检测手段与微流控芯片结合，或者将质谱技术与微流控器件联用等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高俘获率高灵敏度的微流控SPR生物传感方法和装置，以全血中痕量的CTC作为俘获与检出对象，将微流控芯片技术与SPR技术结合，采用三维微通道结构介导的微流控流场来控制CTC的流向与速度，有效提高CTC与SPR金属膜的接触机率与结合效率，并依靠SPR的高灵敏度检测能力同步实现CTC的计量。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一、一种高俘获率高灵敏度的微流控SPR生物传感方法：

将微流控芯片应用到SPR装置中，采用微柱阵列构成的三维微通道结构介导的微流控流场来控制CTC的流向与速度，将CTC导向SPR金属膜的表面，并形成合适的剪切力与接触时间，因此在保证血流高通量的前提下，提高CTC与SPR金属膜的接触机率与结合效率，同时依靠SPR装置的高灵敏度检测能力实现CTC的计量，实现对痕量CTC高效率俘获与高灵敏同步检出的目标；所述的SPR金属膜附着抗体，抗体与相应抗原之间高亲和力的特异性结合，将赋予SPR金属膜特异性俘获CTC的能力，全血样品流经微流控SPR集成芯片，CTC不断被三维微结构介导而流向SPR金属膜表面，并被附着在SPR金属膜上的抗体所俘获。

二、一种高俘获率高灵敏度的微流控SPR生物光学传感装置：

包括微结构基片、微柱阵列、SPR金属膜、液体入口、液体出口、入射光源、光路系统和CCD探测器；微结构基片下端面有微柱阵列构成的三维微通道结构，微结构基片与下面的SPR金属膜封接构成微流控SPR集成芯片，两端开有液体入口和液体出口，SPR金属膜下端设置光路系统，由入射光源、光路系统和CCD探测器构成光学检测系统。

所述微柱阵列中微柱直径与高度均为50μm，间隙50μm，每三个微柱均呈等边三角形排列，微柱底面与SPR金属膜的间距为20μm。