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本文全面综述了光流体生物传感平台。详细介绍了基于表面等离子体共振（SPR）、回音壁模式（WGM）等多种光流体生物传感器，阐述其原理、特点及应用，还探讨了制造技术、关键组件和材料选择，为相关领域研究提供了重要参考。
光流体生物传感平台
光流体生物传感平台整合了微流体和光学技术，能从单分子到全细胞进行高选择性和高灵敏度检测，在医学诊断、环境监测和生物技术研究等领域发挥重要作用。
基于表面等离子体共振（SPR）的光流体生物传感器
SPR 是一种先进的光学检测技术，可用于实时、无标记地检测生物分子相互作用。
- 角度 SPR 生物传感：最常用的 SPR 生物传感技术采用衰减全反射（ATR）方法和 Kretschmann 配置。通过监测表面等离子体共振角度（θsp）的变化，能对溶液中目标分子的存在和浓度进行精确的定量分析。
- 光谱 SPR 生物传感：该方法利用?m的波长依赖性，在固定入射角下通过扫描波长来研究表面等离子体耦合。它能提供更精确的分子相互作用分析手段，增强生物传感的灵敏度和多功能性，但因成本和数据分析复杂性，应用不如角度 SPR 广泛。
- 局域 SPR 生物传感：基于纳米颗粒的 SPR，即局域 SPR（LSPR），利用纳米颗粒放大 SPR 信号，通过检测特定共振波长处透射功率的变化来检测分子结合，具有实验装置简单、易于实现高度复用等优点。
- 传播和局域 SPR 的灵敏度和检测限：传播 SPR 的高灵敏度源于等离子体场与表面结合分析物的长时间相互作用，但空间分辨率受激活等离子体衰减长度限制。目前最灵敏的传播 SPR 测量检测分辨率接近Δn=10?8 ，大多数系统分辨率约为Δn=10?5 ，检测限（LOD）通常在 100 - 1000 pg/cm2。LSPR 的检测限可达约 0.4 - 4 fg。
- 复用 SPR 生物传感技术：SPR 成像为监测二维阵列提供了一种便捷的复用测量方法，但存在检测灵敏度受宽吸附峰影响的问题。通过纳米颗粒增强、光谱成像等创新技术可提高灵敏度，实现对生物分子的高灵敏度检测和更高效的生物传感应用。
基于回音壁模式（WGM）的生物传感器
基于 WGM 的生物传感器是一种无标记光学传感器，通过将光限制在微小介电球内，利用 WGM 的高 Q 因子实现对周围环境微小变化的高灵敏度检测。其应用包括检测低丰度生物标志物、监测痕量污染物和研究分子相互作用等。目前的研究致力于改进制造技术，将其集成到便携式、复用平台中。
基于导模共振（GMR）的光流体生物传感器
GMR 光流体生物传感系统利用折射计测量样品引起的光栅表面折射率（RI）变化，具有设备结构简单、集成性好和灵敏度高等优点，但在实际应用中面临成本高、数据后处理复杂等挑战。研究人员开发了多种改进方法，如基于强度检测的低成本系统，以提高其性能，拓展在食品安全、化学分析等领域的应用。
基于光子晶体的光流体生物传感器
光子晶体具有周期性介电结构，能控制和操纵光的传播。基于光子晶体的光流体生物传感器利用其对局部折射率变化的敏感性，通过检测光学性质的变化来检测生物分子。这类传感器具有高灵敏度、快速响应和复用检测能力，应用于医学诊断、环境监测和食品行业等领域，但在复用检测和进一步提高灵敏度方面仍需改进。
光流体生物传感器的制造技术
制造策略
- 直接制造：3D 打印、微铣削和直接激光写入等是直接制造光流体腔、室和通道的常用方法。3D 打印可低成本制造复杂 3D 设计的微流体装置，但材料选择有限；微铣削适合在塑料和玻璃基板上加工微尺度特征，但在制造高精度结构时存在局限性；直接激光写入能制造复杂微结构，但需要特定的光敏玻璃且加工时间长。
- 模具复制：模具复制是一种可靠的光流体装置原型制作方法，具有高再现性和效率。常用的制作模具方法包括 3D 打印、UV 光刻（UVL）、双光子立体光刻和微铣削等。UVL 广泛用于形成平面结构模具，双光子立体光刻则能制造具有亚微米分辨率的复杂 3D 模具。
关键光流体组件
- 流体控制：液压结构和微阀对精确控制微通道内的流体流动和混合至关重要。微阀有机械、气动或电化学等形式，液压结构（如微泵和微通道）用于输送流体，这些组件确保了样品和试剂能准确输送到指定位置，提高了分析的可靠性和可重复性。
- 光操纵：光操纵技术包括使用光纤、微透镜、微镜、波导和功能性光子纳米结构等。这些技术能精确控制光与生物样品的相互作用，提高生物传感应用的灵敏度和准确性，实现对生物和化学物质的快速、灵敏检测。
- 信号转导：信号转导单元将生物相互作用转化为光学信号，包括 SPR 传感器、WGM 谐振器和光子晶体等功能光子纳米结构。这些结构利用独特的光学性质提高了检测生物分子和分析物的灵敏度和特异性，推动了生物传感技术的创新发展。
光流体材料
光流体材料需具备光学透明、生物相容性和化学惰性等特性。常用材料包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、塑料（如 PMMA 和聚苯乙烯）、玻璃和硅等。PDMS 因其良好的透光性、易脱模性和生物相容性而备受青睐；塑料具有较好的化学抗性；玻璃和硅则具有优异的光学性能和微加工兼容性。此外，混合材料可进一步增强器件性能。
光流体传感应用
基于吸收的光流体传感
基于吸收的光流体传感利用 Lambert-Beer 定律进行化学定量分析，在微流体系统中具有减少样品和试剂消耗、系统小型化集成等优势。通过延长微通道、利用多次反射等策略可提高灵敏度，相关应用涵盖环境、生化和临床分析等多个领域。
基于等离子体的光流体生物传感
基于等离子体的光流体生物传感利用局域表面等离子体共振（LSPR）对纳米结构表面折射率变化的高灵敏度，实现对生物分子的实时、无标记检测。众多研究展示了基于 LSPR 的生物传感器在检测生物分子相互作用、生物标志物和生物气溶胶等方面的应用潜力。
基于散射的光流体传感
光散射现象在细胞分析和其他光学生物传感方法中广泛应用。微流体和光流体技术的进步提高了此类测量的精度和效率，相关应用包括研究细胞特性、监测有毒物质和检测空气中微生物等。
讨论与未来展望
光流体生物传感器相较于传统生物传感器具有高灵敏度、特异性和便携性等优势。未来，SPR 生物传感器可通过与先进成像系统和机器学习算法集成来增强复用能力；WGM 传感器可向小型化和与先进材料集成方向发展；光子晶体传感器需进一步提高灵敏度和复用能力。光流体生物传感器还将朝着集成到便携式、用户友好的即时检测（POCT）平台发展，应用于个性化医学和可穿戴技术等领域，并与人工智能和 DNA 检测等前沿技术结合，推动诊断平台的发展。
结论
光流体生物传感平台在生物传感领域取得了显著进展，SPR、WGM 和基于光子晶体的光流体生物传感器在灵敏度、复用检测能力等方面不断提升。制造技术的改进、关键组件的优化和材料的选择对生物传感器的性能至关重要。光流体生物传感器为生物传感提供了创新解决方案，但仍面临制造复杂性、材料兼容性等挑战，需要进一步研究解决。
