一种用于循环肿瘤细胞捕获与检测的太赫兹器件
阅读说明：本技术 一种用于循环肿瘤细胞捕获与检测的太赫兹器件 (Terahertz device for capturing and detecting circulating tumor cells ) 是由 张留洋 沈忠磊 陈雪峰 徐亚飞 韩东海 王中兴 李胜男 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本公开揭示了一种用于循环肿瘤细胞捕获与检测的太赫兹器件,包括：二氧化硅基底、涂覆于所述二氧化硅基底上的石墨烯薄膜；所述石墨烯薄膜上刻蚀有多个环状纳米间隙,所述多个环状纳米间隙呈阵列式排列,构成周期性环状纳米间隙阵列；每个环状纳米间隙的环状区域为捕获及检测区域,用于对循环肿瘤细胞进行捕获以及用于对被捕获的循环肿瘤细胞进行检测。本公开利用石墨烯同轴孔构成太赫兹等离激元镊实现对肿瘤细胞的近场捕获,同时结合石墨烯可调谐的光学特性以迎合不同尺寸、不同折射率的肿瘤细胞对捕获性能的要求,实现对循环肿瘤细胞的特异性捕获。(The present disclosure discloses a terahertz device for capturing and detecting circulating tumor cells, comprising: the graphene film comprises a silicon dioxide substrate and a graphene film coated on the silicon dioxide substrate; a plurality of annular nanometer gaps are etched on the graphene film and arranged in an array manner to form a periodic annular nanometer gap array; the annular region of each annular nanogap is a capture and detection region for capturing circulating tumor cells and for detecting captured circulating tumor cells. According to the method, the terahertz plasmon tweezers are formed by the graphene coaxial holes to capture the near field of the tumor cells, and meanwhile, the tunable optical characteristics of the graphene are combined to meet the requirements of the tumor cells with different sizes and different refractive indexes on the capturing performance, so that the specific capture of the circulating tumor cells is realized.)
技术领域
本公开涉及一种太赫兹器件，具体涉及一种用于循环肿瘤细胞捕获与检测的太赫兹器件及其制备方法。
背景技术
癌症作为全球性公共卫生问题，极大地危害着人类生命健康。值得注意的是，初诊时大量癌症患者已经发生了肿瘤远端转移，从而错失了最佳的治疗时期，因此，癌症的早期诊断对于延长患者生命具有重要意义。目前，临床上对于癌症的检测主要包括影像学和病理学检测，然而，影像学信息的滞后性，导致影像学检测无法进行早期的检测和诊断；基于病理学的组织活检技术具有诊断准确等优点，但存在创伤性大、取样困难、取样窗口期有限以及可能增加转移风险等局限，对癌症的早期诊断、转移及预后评估等作用也十分有限。
液体活检是一种新兴的无创检测技术，通过采集患者体液(包括血液、唾液、汗液及分泌物等)对体内的恶性肿瘤进行监测，已成为癌症领域个体化精准诊断的一个研究热点。目前研究较多的血液标志物包括：微小RNA、循环肿瘤DNA以及循环肿瘤细胞。其中，循环肿瘤细胞是自发或在治疗途中从原发病灶肿瘤上脱落下来进入外周血的细胞，并随着血液循环进入其它组织和器官，生长成新的肿瘤组织。如果血液中存在循环肿瘤细胞，就表明体内存在肿瘤且可能已发生转移，而肿瘤转移往往是导致癌症患者死亡率高的主要因素。因此，循环肿瘤细胞已成为实时监控肿瘤动态发展的重要标志物，其数量和类型可有效用于癌症的早期诊断、治疗与预后评估。然而，循环肿瘤细胞在血液中含量极低，仅占全部血细胞的百万分之一，这就要求所用检测技术能高效、准确地从大量细胞中分离并检测出极少的目标细胞。
基于太赫兹波等离子体共振传感器的检测技术有望解决循环肿瘤细胞的检测难题，太赫兹等离子体共振传感器对于周围环境折射率的变化十分敏感，折射率是介质固有的属性，不同种类的介质都具有不同的折射率，因此任何一种附着在等离子体共振传感器结构上的介质在传输特性上都对应不同的共振频率，从而能够实现对不同介质的检测。目前，太赫兹等离子共振传感器已被广泛应用各类细胞、生物分子和病毒的传感与检测。太赫兹波是指频率范围为0.1～10THz的电磁波，由于太赫兹波光子能量远小于X射线能量，不会对生物大分子、生物细胞和组织等产生有害电离，完美契合了循环肿瘤细胞液体活检的要求。此外，脂质、核酸、蛋白和糖类等生物大分子的旋转及振动频率恰好处于THz波段，在太赫兹波能激发下可有效产生共振吸收从而提供特异的特征识别指纹谱，因此太赫兹波在无损、无标记传感以及癌症检测领域具有巨大的应用潜力。
目前，循环肿瘤细胞检测技术常常采用传统基于物理性质的肿瘤细胞分离富集技术，该技术主要依据癌细胞与正常血细胞在尺寸方面的差异对癌细胞进行分离，循环肿瘤细胞(10～30μm)和白细胞(8～10μm)以及红细胞(＜7μm)。该方法具有操作简单、能较好保持细胞完整性和活性等优点，但存在特异性差、易遗失特定尺寸以外的肿瘤细胞等缺点，难以实现对循环肿瘤细胞的高效、特异性分离富集。此外，由贵金属作为等离子体材料构成的太赫兹等离子体共振传感器存在灵敏度有限、不可调谐等问题，难以满足对不同种类微量循环肿瘤细胞的高灵敏度检测要求。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种用于循环肿瘤细胞捕获与检测的太赫兹器件，利用石墨烯同轴孔构成太赫兹等离激元镊实现对肿瘤细胞的近场捕获，同时结合石墨烯可调谐的光学特性以迎合不同尺寸、不同折射率的肿瘤细胞对捕获性能的要求，实现对循环肿瘤细胞的特异性捕获。此外，利用石墨烯在太赫兹波频段显著的等离子体增强效应、多层石墨烯的疏水特性以及石墨烯的可调谐性，从而提高电磁波与物质的相互作用进而实现对不同种类循环肿瘤细胞的高灵敏度检测。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种用于循环肿瘤细胞捕获与检测的太赫兹器件，包括：二氧化硅基底、涂覆于所述二氧化硅基底上的石墨烯薄膜；
所述石墨烯薄膜上刻蚀有多个环状纳米间隙，所述多个环状纳米间隙呈阵列式排列，构成周期性环状纳米间隙阵列；
每个环状纳米间隙的环状区域为捕获及检测区域，用于对循环肿瘤细胞进行捕获以及用于对被捕获的循环肿瘤细胞进行检测。
优选的，所述周期性环状纳米间隙阵列通过将太赫兹波局域在所述捕获区域内以获得近场捕获力。
优选的，所述对被捕获的循环肿瘤细胞进行检测是通过检测太赫兹器件的共振频率的移动量进行的。
优选的，所述周期性环状纳米间隙阵列的周期为2-20μm。
优选的，每个环状纳米间隙的内径为1-10μm。
优选的，每个环状纳米间隙的间隙宽度为1-200μm。
本公开还提供一种基于太赫兹波的传感器的制备方法，包括如下步骤：
S100：通过化学气相沉积在二氧化硅基底上生成石墨烯薄膜；
S200：在所述石墨烯薄膜上通过聚焦离子束刻蚀形成多个环状纳米间隙。
优选的，所述多个环状纳米间隙呈阵列式排列，构成周期性环状纳米间隙阵列。
优选的，所述周期性环状纳米间隙阵列的周期为2-20μm。
优选的，每个环状纳米间隙内径为1-10μm。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
1、提出了一种新的循环肿瘤细胞分离捕获技术——基于太赫兹等离激元镊的循环肿瘤细胞捕获技术，通过结合石墨烯可调谐的光学特性实现对循环肿瘤细胞的特异性无损捕获，相比于传统的循环肿瘤细胞分离技术，具有操作简便且特异性高等优点；
2、提出了一种新的循环肿瘤细胞富集技术——基于多层石墨烯的循环肿瘤细胞富集技术，利用多层石墨烯表面的疏水特性，可间接提高血液中循环肿瘤细胞的浓度，实现提高循环肿瘤细胞的富集效果及检测灵敏度；
3、提出了一种新的太赫兹等离子体共振传感器——基于石墨烯的太赫兹等离子体共振传感器，相比于传统由贵金属构成等离子体共振传感器，具有结构简单、可调谐以及灵敏度高等优点，可实现对不同种类微量循环肿瘤细胞的高灵敏度检测。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种用于循环肿瘤细胞捕获与检测的太赫兹器件的结构示意图；
图2是本公开一个实施例提供的一种用于循环肿瘤细胞捕获与检测的太赫兹器件的俯视图；
图3是本公开一个实施例提供的一种用于循环肿瘤细胞捕获与检测的太赫兹器件中单个石墨烯同轴孔示意图；
图4(a)和图4(b)分别是血液滴在石墨烯薄膜和贵金属薄膜表面的形状示意图；
图5是本公开一个实施例提供的循环肿瘤细胞被捕获于纳米间隙处的示意图；
图6是本公开另一个实施例提供的一种基于太赫兹波的传感器的反射率曲线示意图。
具体实施方式
下面将参照附图1至附图6详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，一种用于循环肿瘤细胞捕获与检测的太赫兹器件，包括：二氧化硅基底、涂覆于所述二氧化硅基底上的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜上刻蚀有多个环状纳米间隙，所述多个环状纳米间隙呈阵列式排列，构成周期性环状纳米间隙阵列；每个环状纳米间隙的环状区域为捕获及检测区域，用于对循环肿瘤细胞进行捕获以及用于对被捕获的循环肿瘤细胞进行检测。
本实施例中，由于贵金属具有固定的自由电子，因此由贵金属构成的传感器件一旦制备，其工作性能难以改变，无法满足对不同种类循环肿瘤细胞的捕获与检测要求。相对而言，石墨烯的载流子密度可通过栅极电压进行调控，为可调谐传感器件的制备提供了可能性。此外，相比于贵金属，石墨烯还具有载流子浓度、和迁移率高以及较低的光学损失等优点，可显著提高电磁波的场局域，进而增强太赫兹波与待测物的相互作用，为实现高灵敏度检测提供了条件。因此，相比现有技术中所采用的由贵金属构成的传感器所存在的不可调谐及灵敏度有限的问题，本实施例采用基于石墨烯的太赫兹器件，用于循环肿瘤细胞的分析检测，能够取得更好的检测效果。示例性的，图4(a)和图4(b)分别是相同容量的血液分别滴在石墨烯薄膜(疏水性界面)和贵金属薄膜表面(亲水性界面)的形状示意图，如图4(a)至图4(b)所示，血液液滴在多层石墨烯表面和贵金属薄膜表面分别形成接触角θ1和θ2，且θ1＞θ2。更大的接触角θ1表明血液滴在石墨烯表面具有更小的接触面积和更高的高度。当被测血液中循环肿瘤细胞浓度一定时，较小的接触面积将间接提高单位面积内循环肿瘤细胞的空间密度，进而增大被测概率。因此，相比于传统由金属薄膜构成的传感器，由于多层石墨烯构成的传感器表面具有疏水性，可间接提高单位面积内血液中循环肿瘤细胞的浓度，从而增强循环肿瘤细胞富集效果进而提高其检测灵敏度。
另一个实施例中，所述周期性环状纳米间隙阵列通过将太赫兹波局域在所述捕获区域内以获得近场捕获力。
本实施例中，在太赫兹电磁波的辐射作用下，石墨烯薄膜中的自由电子发生集体振荡，并向环状纳米间隙边界处聚集，这使得太赫兹电磁波被强烈地局域在纳米间隙附近，并在纳米间隙处产生局域热点以及巨大的电磁场增强，由于电磁场强度随着远离局域热点中心的距离迅速降低，从而产生施加于细胞上的近场捕获力并在石墨烯表面形成三维捕获势阱，当三维捕获势阱的大小足够克服细胞无规则的布朗运动时，细胞将在捕获力的推动下向局域热点中心(即势能最低点)移动并被束缚于此处。由于近场捕获力的大小与电磁场强度、被捕获细胞的尺寸和折射率成正比，并且循环肿瘤细胞的尺寸和折射率参数高于血液中其它细胞(如红细胞、白细胞)。因此，当石墨烯等离子体结构确定时，只需通过调节费米能级以控制石墨烯等离子体共振强度即可实现对器件捕获能力的调控，进而获得足够捕获循环肿瘤细胞而不足以捕获其它细胞的捕获能力，最终实现对循环肿瘤细胞的特异性无损捕获。相比传统的基于循环肿瘤细胞尺寸差异的分离富集技术，本实施例同时基于循环肿瘤细胞尺寸及折射率两种关键物理性质的差异，因此具有更高的特异性。
另一个实施例中，所述对被捕获的循环肿瘤细胞进行检测是通过检测太赫兹器件的共振频率移动量进行的。
本实施例中，由于太赫兹波的电磁场局域与增强使得太赫兹波对石墨烯薄膜表面的介电属性十分敏感，当循环肿瘤细胞被稳定捕获于捕获区域时，采用PBS缓冲液冲洗血液中的红细胞和白细胞而留下被捕获的循环肿瘤细胞，循环肿瘤细胞的存在将对石墨烯薄膜表面的介电属性产生扰动，从而导致太赫兹器件共振频率的移动，通过太赫兹时域光谱系统检测器件的反射谱/透射谱共振频率及其移动量即可实现对循环肿瘤细胞所携带的生物信息进行检测。示例性的，如图5所示，石墨烯环状纳米间隙阵列的周期P＝3μm，间隙内径D＝2μm，间隙宽度w＝20nm以及石墨烯费米能级为0.6eV时，在太赫兹波的辐射作用下，血液中的循环肿瘤细胞将被捕获于纳米间隙处，此时将血液中的红细胞和白细胞采用PBS缓冲液进行冲洗，最终留下被捕获的循环肿瘤细胞。假定不含循环肿瘤细胞时，待测血液的折射率n＝1.5，此时器件的共振频率f0为5.0THz，当待测血液中含有循环肿瘤细胞时，其折射率n＝2.0，即折射率扰动量Δn为0.5，如图6所示，此时太赫兹器件的共振频率移动量Δf为0.9THz。由于不同生物细胞对太赫兹波的吸收频段不同，通过对比分析太赫兹器件的共振频率及其移动量，即可获得循环肿瘤细胞的数量和类型等信息以实现对癌症患者的病情诊断。用于循环肿瘤细胞捕获与检测的太赫兹器件的归一化灵敏度S’f可表述为S’f＝Δf/(Δn·f0)，该实施例中所述太赫兹器件的归一化灵敏度可达0.36THz/RIU，而传统的等离子体共振传感器的归一化灵敏度仅为0.01-0.1THz/RIU。此外，根据不同种类循环肿瘤细胞对捕获参数要求以及细胞内生物分子在太赫兹频率范围内共振频率不同，通过外场电压调节器对石墨烯薄膜的费米能级进行调控，实现对器件捕获能力和共振频率的调节，以迎合不同循环肿瘤细胞的捕获性能要求和肿瘤细胞内分子的共振频率，最终实现对不同种类循环肿瘤细胞的特异性捕获与高灵敏度检测。
另一个实施例中，所述周期性环状纳米间隙阵列的周期为2-20μm。
另一个实施例中，所述环状纳米间隙的内径为1-10μm。
本实施例中，基于超材料结构的器件特征尺寸都为亚波长尺度(即0.1～1倍波长)，而太赫兹波的波长范围是30μm-3000μm，故环状纳米间隙的内径选定为1-10μm。
另一个实施例中，所述环状纳米间隙的间隙宽度为1-200nm。
本实施例中，为了实现对太赫兹波的局域与增强，纳米间隙的宽度为选定为1-200nm。
需要了解的是，纳米间隙的宽度设置为纳米级别才能实现对太赫兹波的局域与加强，从而激发器件的共振。
还需要了解的是，当循环肿瘤细胞被稳定捕获于捕获区域时，随着纳米间隙宽度w的减小，电磁波的场局域和增强效应越加强烈，使得电磁波对界面介电属性的变化更为灵敏，因此通过减小纳米间隙宽度w可提高传感器件的检测灵敏度。
另一个实施例中，本公开还提供一种基于太赫兹波的传感器的制备方法，包括如下步骤：
S100：通过化学气相沉积在二氧化硅基底上生成石墨烯薄膜；
S200：在所述石墨烯薄膜上通过聚焦离子束刻蚀形成多个环状纳米间隙。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。