一种实时监测人体血液中肝素水平的方法

1.本发明属于微纳光子学、光学传感和生物分析检测等技术领域，具体涉及一种用于人体血液中肝素浓度实时监测的光学检测技术。该技术利用纳米阵列结构和金属纳米颗粒之间的电磁场耦合作用，不仅能实现人体血液中肝素浓度危险值的快速预警，还能在大浓度范围内准确定量测定肝素分子浓度。该技术具备无需标记、响应时间快、线性检测范围大、灵敏度高和检测结果可靠等优势，使其在肝素现场快速无创检测方面具有临床应用前景。


背景技术：

2.肝素是人和动物体内一种天然抗凝血物质，临床上广泛应用于心血管手术以及日常避免血栓形成的监测标记物。因此，在手术和抗凝治疗期间密切监测和定量肝素浓度具有十分重要的意义。迄今为止，已经发展很多肝素浓度监测方法，包括电化学方法、分离方法、色谱法和荧光分析法，但普遍存在检测灵敏度低、检测范围受限以及检测时间长等问题。因此，发展一种高灵敏度、检测范围广、节省时间的方法成为亟待解决的技术难题。
3.表面等离激元传感器因其灵敏度高、背景干扰小、免标记检测和实时响应等优点已经在临床疾病诊断、食品安全和环境检测等领域受到广泛关注。但商业化检测系统常采用棱镜式结构，存在体积庞大、系统复杂的问题，在一定程度上限制了传感器向小型化、便携式方向的发展。微纳结构器件克服了该缺点，成为现阶段光学传感具有潜力的技术手段之一。
4.金属纳米颗粒具有良好的化学惰性、生物相容性和无生物毒性等优势受到科研人员的广泛青睐，尤其在构建新型的药物载体方面中有着巨大的应用价值。同时，金属纳米颗粒对检测信号放大的作用在生物传感领域受到越来越多的关注。因此，金纳米颗粒的使用对设计和提高整个检测系统的效率和有效性起到了至关重要的作用。
5.本发明结合微纳结构的传感优势，通过利用纳米阵列结构和金属纳米颗粒之间的电磁场耦合作用，对肝素浓度检测达到秒量级，同时兼具检测范围广和灵敏度高等定量检测的特点，解决了当前光学传感器检测普遍存在的检测范围受限、检测响应慢等技术难题，为人体血液中肝素浓度的临床在线检测提供了强有力的技术支撑。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种用于人体血液中肝素浓度实时监测的光学技术。该技术的创新点在于首次利用金属纳米颗粒与纳米阵列结构之间远场和近场耦合导致纳米阵列结构等离激元共振位置的平衡点实现了预设肝素浓度的秒量级快速检测，从而实现人体血液中肝素浓度危险值的快速预警。同时，该技术还极大扩展了肝素的特异性定量检测范围，检测范围从10-10
g/ml到10-3
g/ml，高达8个检测数量级。
7.本发明所采用的技术方案是：
8.一种实时监测人体血液中肝素水平的方法，具体为工作在可见、近红外以及中红
外波段范围内的用于人体血液中肝素浓度实时监测的光学检测方法，带正电的纳米阵列结构与带负电的金属纳米颗粒和肝素分子混合溶液相互作用，金属纳米颗粒和肝素分子在纳米阵列结构表面静电竞争吸附，不同肝素分子浓度将导致金属纳米颗粒与纳米阵列结构之间强弱不同的共振耦合，从而实现肝素浓度的检测。
9.进一步，所述的纳米阵列结构所拥有的电性主要通过在其表面修饰带电性生物分子或聚合物来实现，例如强阳离子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(pdda)修饰纳米阵列结构可实现表面带正电的纳米阵列结构。
10.进一步，所述的金属纳米颗粒是球形或棒形，根据纳米阵列结构的共振峰波长位置选择合适尺寸的金属纳米颗粒。
11.进一步，检测肝素浓度由纳米阵列结构表面的带电量决定，即生物分子或聚合物浓度来决定。
12.所述的实现快速检测预设肝素浓度由纳米阵列结构表面的带电量决定，即生物分子或者聚合物浓度来决定。
13.所述人体肝素分子检测范围从10-10
g/ml到10-3
g/ml，高达8个检测量级。
14.所述人体血液中肝素浓度危险值的快速预警时间仅为秒量级。
15.该检测方法中所采用的金属纳米结构阵列主要由周期性的金属纳米阵列组成，可以是一维线性光栅、二维方形阵列或三角形阵列。当入射光照射到金属纳米结构阵列表面时，由于入射光受到周期性结构衍射光的波矢补偿，在结构表面纳米尺度下形成局域场增强的等离激元共振模式，造成结构的反射光谱中形成共振反射峰。利用强阳离子的生物分子或者聚合物修饰结构表面使其带正电，结构表面电荷数量由生物分子或者聚合物的浓度决定。
16.当带负电的金属纳米颗粒与带负电的肝素生物分子混合时，由于同性电荷相互排斥，会使金属纳米颗粒之间的分散性更好。当该混合溶液通过带正电的金属纳米结构表面时，由于带负电的肝素分子比金属纳米颗粒更容易与纳米阵列结构表面的正电荷发生静电感应作用粘附在结构表面，从而占据结构表面正电荷位点，只有当结构表面有多余的正电荷结合位点时，带负电的纳米颗粒才可附着于结构表面，形成强耦合的共振位点。
17.当肝素分子的浓度较高时，肝素分子会占据大部分纳米阵列结构表面的正电荷位点，仅有少量金属纳米颗粒附着在结构表面，相应的在混合溶液中处于分散状态的金纳米颗粒浓度越大。当入射光照射金属纳米颗粒和金属阵列结构时，将同时激发它们各自的等离激元共振模式。处于悬浮分散状态的金属纳米颗粒位于纳米阵列结构表面的远场区域，此时两种结构的表面等离激元耦合属于远场弱耦合，位于高频位置的金属纳米颗粒局域等离激元共振将导致纳米阵列结构的共振模式发生蓝移，然而少量附着在纳米阵列结构表面金属纳米颗粒与纳米阵列结构之间发生共振强耦合导致其共振模式红移较小。因此纳米阵列结构的共振峰整体表现为蓝移。纳米阵列结构共振波长的蓝移程度与肝素分子的浓度有关。肝素分子的浓度越大，偏移量越大。这是因为肝素分子浓度越高，结构表面附着的金属纳米颗粒越少引起的共振峰红移越小，并且混合溶液中金属纳米颗粒的浓度越高，激发的局域等离激元强度越强，两者共同作用导致的波长蓝移值越大。
18.当肝素分子的浓度较低时，肝素分子仅占据纳米阵列结构表面少量的正电荷位点，大部分位点被金属纳米颗粒所占据或者发生团簇，此时金纳米颗粒通过近场耦合引起
的纳米阵列结构共振峰的红移量远大于混合溶液中分散的金属纳米颗粒引起的蓝移量，此时纳米阵列结构整体表现为共振红移。共振波长的红移程度与肝素分子的浓度有关。肝素分子的浓度越低，红移的偏移量越大。在以上两种情况下，根据纳米阵列结构共振波长的偏移量大小精准测定肝素分子的浓度。
19.该检测技术还可以实现预设肝素浓度的快速检测，主要是利用金属纳米颗粒与纳米阵列结构之间远场和近场耦合导致纳米阵列结构等离激元共振位置的平衡点。这一临界点对应于在预设肝素分子浓度下，混合溶液中均匀分散的金属纳米颗粒与结构表面附着的金纳米颗粒分别引起的纳米阵列结构的共振峰的蓝移量和红移量恰好相等。该肝素分子浓度由结构表面带正电的生物分子或者聚合物浓度决定。当肝素浓度大于该值时，会引起纳米结构阵列共振波长的蓝移。利用此特征，若将该浓度值设定为人体血液中肝素含量的危险指标时，该技术可以在几秒的时间内向病人发出警告，实现快速预警功能。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明利用金属纳米颗粒与纳米阵列结构之间等离激元模式近场和远场耦合机制提出了一种实现人体血液中肝素浓度危险指标的快速且大范围精准定量检测方法。该发明的创新点主要体现在以下三个方面：第一、首次提出用金属纳米颗粒与纳米阵列结构之间远场和近场耦合导致纳米阵列结构等离激元共振位置的平衡点的原理实现预设肝素浓度秒量级的快速检测；第二、该检测技术对肝素浓度的检测范围高达8个数量级，与其它现有技术相比，大大扩宽了检测范围；第三、该检测方法操作简单、扩展性强进一步克服了当前检测方式步骤繁琐、技术操作难的问题，有望成为肝素健康监测的技术支撑。此外，该技术应用的核心思想可以拓宽到其他检测中，为新型光学传感检测提供了思路。
附图说明
21.图1为该检测技术的原理示意图。
22.图2为不同浓度肝素检测时纳米阵列结构共振波长随时间变化：(a)肝素浓度较高；(b)肝素浓度较低。图中t0对应于检测初始时刻，t
1-t3为检测时刻。
23.图中：1带负电的金纳米颗粒；2带负电的肝素分子；3强阳离子聚电解质pdda；4纳米阵列结构。
具体实施方式
24.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本技术保护的范围。
25.为了更加清晰地说明本技术方案，本实例中采用不透明金膜上三角晶格金纳米圆盘作为纳米结构阵列，该纳米阵列结构采用超薄氧化铝模板和真空镀膜的方法制备，阵列周期大约为450nm，纳米盘半径大约为160nm，和高度为50nm；采用直径为17nm的球形金纳米颗粒。该光学技术检测原理如图1所示，首先在纳米阵列结构表面通过金-硫(au-s)键修饰10mm 11-巯基十一烷酸(mua)，静置3小时，然后用浓度为1％的强阳离子聚电解质pdda对其表面进行改性，此时结构表面带正电。当同时带负电的金纳米颗粒、肝素分子的混合溶液流
经纳米阵列结构表面时，由于带负电的肝素分子与带正电的pdda的静电亲和作用远大于金纳米颗粒与pdda之间的结合力，因此肝素分子比金纳米颗粒更容易占据结构表面的正电位点，该检测方法通常也叫竞争吸附检测方法。
26.在本实例中，纳米阵列结构和金纳米颗粒的等离激元共振峰分别位于波长650nm和520nm处。当肝素分子浓度较大时，肝素分子占据了大部分纳米阵列结构表面的正电荷位点，仅有少量纳米颗粒附着在结构表面，相应的在混合溶液中处于分散状态的金纳米颗粒浓度越大。此时混合溶液中分散的金纳米颗粒通过远场耦合导致纳米结构的蓝移量大于少量金纳米通过近场耦合引起的纳米阵列结构共振峰红移量时，纳米阵列结构的共振峰整体表现为蓝移，如图2(a)所示。肝素分子浓度越大，纳米阵列结构表面吸附的金纳米颗粒数量越少，混溶溶液中的分散的纳米颗粒越多，导致纳米阵列结构共振峰的蓝移量越大。当肝素分子浓度较小时，肝素分子仅占据纳米阵列结构表面少量正电荷位点，大部分位点被金属纳米颗粒所占据或者发生团聚，此时金纳米颗粒通过近场耦合引起的纳米阵列结构共振峰的红移量远大于混合溶液中分散的金属纳米颗粒引起的蓝移量。肝素分子浓度越小，纳米颗粒引起的纳米阵列结构共振峰红移量越大，如图2(b)所示。
27.该检测技术可以利用光谱蓝移实现预设肝素浓度的快速检测，在预设肝素浓度下，通过优化pdda的浓度(结构表面的带正电量)使得混合溶液中均匀分散的金属纳米颗粒与结构表面附着的金纳米颗粒分别引起的纳米阵列结构的共振峰的蓝移量和红移量相等。当肝素浓度大于预设值，纳米阵列结构的共振峰实现快速蓝移，将这一快速检测方法可用于人体血液中肝素浓度危险值的快速预警。此外，通过优化pdda的浓度，可以控制蓝移范围内可检测的肝素浓度，从而满足不同场景实时检测。
28.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。