[发明专利]基于石墨烯太赫兹源和探测器的癌细胞波谱分析装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯太赫兹源和探测器的癌细胞波谱分析装置及方法。本分析装置的主要部分主要有石墨烯太赫兹波发生单元、载有癌细胞的金属‑介质‑金属波导、石墨烯太赫兹场效应管探测单元和锁相放大器。当石墨烯在外加电压作用下产生的高速电子流流过所覆盖的占空比依次递增的二氧化硅光栅时产生宽谱太赫兹波，该宽谱太赫兹通过载有癌细胞的金属‑介质‑金属波导被太赫兹场效应管探测单元接收，最终经过锁相放大器得到癌细胞对宽太赫兹波谱的响应信号。该分析装置将多个单元器件高度集成在一起，可与微流控系统结合高效的对癌细胞等生物样品进行太赫兹波谱分析，在生物检测领域具有广泛的应用潜力。

技术领域

本发明属于太赫兹波技术领域，涉及一种基于石墨烯太赫兹源和探测器的癌细胞波谱分析装置及方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz or THz)波通常是指频率在0.1～10THz区间的电磁波，其光子的能量约为1～10meV，正好与分子振动及转动能级之间跃迁的能量大致相当。大多数极性分子如水分子、氨分子等对THz辐射有强烈的吸收，许多有机大分子(DNA、蛋白质等)的振动能级和转动能级之间的跃迁也正好在THz波段范围。因此，物质的THz光谱(包括发射、反射和透射光谱)包含有丰富的物理质和化学信息，其吸收和色散特性可以用来做爆炸物、药物等化学及生物样品的探测和识别，在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面具有重要的应用价值。

石墨烯是一种只有单层碳原子厚度的六边蜂巢形状的二维材料，自2004年发现以来，越来越受人们重视，具有极其广泛的应用前景。石墨烯是世界上强度最高的材料(200倍于钢)，有很高的导热和导电性(5300W/mK)(50Ω/cm)，有极高的比表面积2 630m²/g，有高弹性高硬度(130GPa)。石墨烯的化学反应性强，容易与其他化学物质反应形成化合物，还能承受电离辐射，同时很轻盈，具有类似于碳纤维的韧性，而焦耳效应比碳纤维更小。石墨烯在THz波段可以很好的支持表面等离子激元，在传感、通信等方面有许多潜在的应用。

波谱分析主要是以光学理论为基础，以物质与光相互作用为条件，建立物质分子结构与电磁辐射之间的相互关系，从而进行物质分子几何异构、立体异构、构象异构和分子结构分析和鉴定的方法。波谱分析已成为现代进行物质分子结构分析和鉴定的主要方法之一。随着科技的发展，技术的革新和计算机应用，波谱分析也得到迅速发展。波谱分析法具有优点突出，广泛应用等特点，是诸多科研和生产领域不可或缺的工具。随着科技发展和分析要求的不断提高，使得科研工作者对波谱分析法也在不断创新。波谱分析法由于其快速、灵敏、准确、对细胞检测方面起着重要的作用，已成为癌细胞分析和鉴定常用的分析工具和重要的分析方法。

癌症已经成为当前全球第2大致死因素，约90％以上恶性肿瘤导致的死亡是由早期发现困难、易复发转移和抗药物性等三大原因造成的，其中复发转移是导致肿瘤患者死亡的首要原因。复发转移的原因是由于存在从癌症原发部位脱落，通过血管或淋巴系统进人血液循环的癌细胞，即循环肿瘤细胞(CTC)。CTC已被证实在恶性肿瘤形成转移的一系列过程中扮演着重要角色，与多种肿瘤的临床分期、无进展生存期、总生存期及抗肿瘤药物疗效等密切相关，被公认为是一种潜在的、实时的“液体活检”。CTC可以反映肿瘤负荷，预测癌症发展，协助治疗决策，其诊断和预测价值以及在转化医学研究中的作用日益受到重视，同时CTC还可能成为新开发抗癌药物的新靶点，提供癌症治疗的新思路。发展高灵敏、高特异性的检测方法是目前CTC从基础研究到临床应用的迫切任务。

研究已知肿瘤细胞新陈代谢旺盛，核酸等大分子的含量较正常组织多。另一方面，细胞癌变的异常增殖导致细胞中水含量和水状态的变化都能被太赫兹波敏感地捕捉到。2002年，Woodward等首次报道了太赫兹光谱成像技术在皮肤癌检测中的应用。其后该技术被尝试用于大肠癌、乳腺癌、肝癌、宫颈癌、口腔和脑部肿瘤组织的检测，初步结果显示正常组织与肿瘤组织有明显差异。

发明内容