基于“微流控+超构表面”的光纤探针生物传感器，可高灵敏检测乳腺癌标志物
2025-12-19 10:26|
编辑: 沙糖桔|
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摘要: 生物传感器响应对流速的依赖性是尖端实验室生物传感器开发和使用中的关键因素。
| 生物传感器在日常生活的许多领域都发挥着至关重要的作用。人体体液中蕴含的大量生物信息和诊断线索，激发了人们开发用于高通量诊断筛查的智能设备，利用液体活检来分析血液、尿液或唾液等样本。迄今为止，已开发出多种生物传感器，它们的生物检测元件和信号转导机制各不相同。其中，光纤（OF）生物传感器通过测量光与分析物相互作用时的特性变化来工作，因而具有极高的灵敏度。光纤生物传感器的主要优势包括可进行遥感、不受电磁干扰、可小型化以及实时监测，这些特性使其在各种应用中极具前景。光纤凭借尺寸小、柔韧性好、生物相容性佳以及易于集成到导管或医用针头中的固有特性，被广泛用于远程、实时、在体和微创组织成像或照明。成熟的光纤实验室（LOF）技术将微米和纳米级功能材料集成到光纤基底上，打造出一种具有特殊生物传感能力的高度通用平台，为医疗和健康技术的进一步发展提供了巨大潜力。微流控芯片为光纤传感结构提供了稳定且可控的环境，使后者仅与病变周围的液体微环境相互作用，并保护它们免受可能影响其性能的外部环境因素的影响。然而，将光纤集成到液体处理电路中以用于大规模筛查、即时诊断和在体应用仍然是一个相对未被探索的领域。已有报道的研究表明，关于尖端实验室（Lab-on-Tip）生物传感光纤探针在微流控通道中的最佳放置仍有待研究。此外，流动中光纤平台尖端的生物分子相互作用的复杂动态仍缺乏充分表征。据麦姆斯咨询介绍，意大利圣尼奥大学和萨尼奥大学的联合研究团队报道一个具有临床意义的实际案例，将等离激元超构表面增强的尖端实验室生物传感平台（OFMT）集成到T形微流控芯片中，以检测具有临床意义的靶分子——乳腺癌生物标志物受体酪氨酸蛋白激酶（ErbB2）。相关研究成果已经以“Towards microfluidics assisted optical fiber metatip biosensors”为题发表于近期的Sensors and Actuators B: Chemical期刊。研究团队使用ErbB2作为目标蛋白，以评估OFMT生物传感器的检测灵敏度。OFMT结合了光纤实验室技术与等离激元超构表面，后者可提高光操控能力和灵敏度，这代表了该领域的一项重大进展。OFMT的多功能性已被用于提高对局部折射率变化的灵敏度，能够检测生物分子相互作用，且检测限极低。此外，已有研究表明OFMT是用于检测小型生物分子和肿瘤标志物的创新型生物传感器。该系统包括一个蠕动泵、一个带有交叉1 mm通道的“T”型微流控芯片和管路。主流体经入口和出口端口流过，而正交通道则容纳光纤探针。该微流控芯片采用一体式设计，以最大限度降低组装复杂度，并防止泄漏或压力损失等问题。其中，探针未固定，便于调整位置，且测试后可重复使用。系统经功能化后，研究团队通过将OFMT放置在通道内的两个不同位置，研究了探针定位对生物传感器性能的影响。图1 利用OFMT探针在两个不同位置检测ErbB2图2 OFMT在微流控通道中的插入深度对ErbB2生物传感器响应的影响该研究探讨了探针定位和流体动力学对OFMT生物传感器检测ErbB2的性能影响。该探针用TZ抗体进行功能化，并在受控流动条件下用于微流控芯片。传感器的响应以重心波长偏移表示，在不同ErbB2浓度（1-1000 ng/mL）和通道内不同的探针位置下进行了测试。实验结果表明，探针的位置对传感器性能有显著影响。具体而言，靠近通道中心的位置导至较低的光谱变化，而探针尖端离中心越远，灵敏度越高。数值模拟证实，这些变化取决于探针敏感区域内不同的局部流速，较高的流速缩短了分子的相互作用时间，导至较低的传感器响应。实验验证还证实了流速与生物传感器灵敏度之间存在反比关系，强调了需要优化探针定位和流动条件以提高检测效率。图4 探针附近的流速与实验生物传感器对ErbB2的响应之间的关系总之，生物传感器响应对流速的依赖性是尖端实验室生物传感器开发和使用中的关键因素。该研究的主要贡献是系统评估了将光纤尖端生物传感器集成到微流控环境中所面临的关键挑战。该研究成果得出两个主要结论：（i）考虑到质量传输限制、结合动力学和传感器响应动态，定量理解了通道内的流速和光纤位置如何影响整体检测效率；（ii）详细评估表明，流体参数（如通道几何形状和流动剖面）与传感器定位本质上是相互依赖的。这些因素共同决定了传感平台的性能，在基于微流控的生物传感应用中，必须对其进行协同优化，以实现最大的灵敏度和重现性。理解并掌握这种关系将有助于开发更准确、更可靠的生物传感器，使其能够在不同的流动条件下有效工作。特别是，必须密切关注传感器探针附近的流速，以提高生物传感器的检测效率。事实上，通过调整微流控通道的尺寸，特别是探针附近的尺寸，或许可以创造局部流动条件，在不影响整体流速的情况下减缓流体速度。此外，实施流量控制机制，如引入障碍物或缩小通道部分区域，可能有助于调节探针附近的流动，从而提高检测效率。https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.139182
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