迈向微流控辅助的光纤超构生物传感器

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Towards microfluidics assisted optical fiber metatip biosensors

本研究将等离子体表面辅助的Lab-on-Tip光学纤维探针集成至T型微流控芯片，探究探针位置与流速对乳腺癌标志物ErbB2检测的影响。实验表明，探针离通道中心越远，检测灵敏度越高，而流速增加会降低分子相互作用时间，从而影响检测性能。数值模拟验证了流速与检测信号的反比关系，为优化微流控设计提供了依据。

　　在生物医学领域，生物传感器技术正逐渐成为疾病诊断和治疗监测的重要工具。随着技术的发展，基于光纤（OF）的生物传感器因其高灵敏度、与微创实时诊断的兼容性以及在体内活检中的巨大潜力而受到越来越多的关注。这类传感器能够通过光的性质变化来检测目标分子，从而在医学应用中展现出广阔的应用前景。然而，为了确保其在实际临床场景中的有效性，必须对传感器在微流控环境中的集成方式进行深入研究。本文探讨了如何将基于光纤尖端的Lab-on-Tip生物传感器整合进微流控芯片中，并以乳腺癌标志物ErbB2为例，展示了该方法在检测临床相关分子时的表现。

微流控技术作为一种精确控制液体流动的方法，为生物传感器的优化提供了新的思路。通过将光纤尖端生物传感器嵌入微流控通道，可以实现对生物分子的高效检测。研究中采用了一种基于等离激元超表面（Metasurface）的Lab-on-Tip生物传感器，将其集成到单模光纤尖端（OFMT）上，并放置在T型微流控芯片中，以评估其在不同流速和位置下的检测性能。实验结果显示，传感器的响应与光纤尖端在微流控通道中的位置密切相关。当光纤尖端远离通道中心时，检测性能显著提高，而靠近中心则会导致响应减弱。这种现象表明，微流控通道内的局部流体动力学特性对传感器的性能有重要影响。

进一步的数值模拟分析证实了实验结果，揭示了流速与传感器响应之间的反比关系。当流速增加时，目标分子与传感器表面的接触时间缩短，导致检测效率下降。相反，较低的流速有助于延长分子与传感器的相互作用时间，从而提高检测信号的强度和稳定性。这一发现对于设计和优化微流控辅助的生物传感平台具有重要意义。它表明，在实际应用中，必须综合考虑微流控通道的几何结构、流体流动模式以及传感器的放置位置，以确保在最佳条件下进行检测。

实验还发现，尽管较低的流速有助于提高检测灵敏度，但过度靠近通道壁可能会带来一些挑战。例如，当光纤尖端与通道壁之间的距离过小时，光谱中会出现干涉条纹，这可能干扰对共振波长的准确跟踪。此外，光纤尖端可能因接触通道壁而受到物理损伤，影响其结构的完整性和检测性能。因此，在优化传感器位置时，需要在灵敏度提升与避免物理损伤之间找到平衡点。这可以通过调整微流控通道的几何形状或引入流体控制机制来实现，例如在通道中设置障碍物或局部狭窄区域，以改变流体流动模式，从而改善检测效果。

为了验证这些理论假设，研究团队在不同流速条件下进行了实验。实验中，光纤尖端被固定在通道中的两个相近位置，分别以20 μL/min和40 μL/min的流速进行检测。结果显示，随着流速的增加，传感器对ErbB2的响应显著减弱。例如，在40 μL/min的流速下，ErbB2浓度为100 ng/mL时，共振波长的变化仅为0.22 nm，而流速较低时则达到0.40 nm。这表明，流速的控制对于传感器性能至关重要。因此，在设计微流控生物传感系统时，需要充分考虑流体动力学因素，以确保在不同的流速条件下都能获得可靠的检测结果。

除了流速的影响，研究还强调了微流控芯片设计对传感器性能的重要性。T型微流控芯片因其结构特点，能够提供更稳定的流动环境，使光纤尖端与目标分子的相互作用更加可控。通过将传感器精确放置在特定位置，可以有效提高其检测能力，同时减少非特异性吸附的干扰。这种集成方式不仅提升了生物传感器的灵敏度，还增强了其在实际应用中的可靠性和可重复性。

此外，研究还指出，当前关于光纤尖端生物传感器在微流控环境中的最佳放置位置的研究仍然有限。因此，本文提出了一种新的生物传感概念，结合了抗体-抗原特异性相互作用与微流控技术的优势。该方法通过精确控制光纤尖端的位置和流动条件，实现了对ErbB2的高灵敏度检测。与以往的研究相比，这种方法不仅提高了检测精度，还为未来开发更高效、更可靠的生物传感器提供了理论依据和实验支持。

在实际应用中，光纤尖端生物传感器的集成需要考虑到多种因素，包括传感器的几何形状、材料特性、微流控通道的设计以及流体流动模式。这些因素共同决定了传感器的性能表现。因此，未来的研发工作应着重于优化这些参数，以实现最佳的检测效果。例如，通过调整微流控通道的宽度和深度，可以改变流体的流动特性，从而影响传感器的响应。同时，引入更先进的材料和结构设计，如等离激元超表面，可以进一步提高传感器的灵敏度和选择性。

研究还提到，尽管实验结果表明光纤尖端的位置对检测性能有显著影响，但实际操作中保持光纤尖端在相同位置的精确再现仍然是一个挑战。这一问题可能源于微流控通道设计的复杂性或实验操作的不确定性。因此，未来的实验设计应更加注重探针位置的可重复性和稳定性，以确保在不同实验条件下都能获得一致的检测结果。

综上所述，本文通过实验和数值模拟相结合的方法，系统地分析了光纤尖端生物传感器在微流控环境中的性能表现。研究发现，光纤尖端的位置和流速是影响传感器响应的关键因素，而优化这些参数对于提高检测效率至关重要。同时，研究还强调了微流控芯片设计的重要性，指出合理的流体动力学控制能够显著提升生物传感器的性能。这些研究成果为未来开发更高效的微流控辅助生物传感平台提供了重要的理论支持和实践指导，有助于推动该技术在医学诊断和治疗监测中的应用。