通过发光淬灭技术实现的集成氧传感器，用于监测微流控芯片系统中的氧气变化

《Talanta》：The Integrated Oxygen Sensor via Luminescence Quenching for Monitoring Oxygen Variation in The Microfluidic Chip System

　　

林海峰|李红华|郭婷|廖文军|杜明阳|严婉婷|李军|吴启宇|孙杰|林玲

北京工商大学生物工程系老年营养与健康教育部重点实验室，北京，100048，中国

摘要

本研究旨在开发一种低成本且易于获取的集成式氧气传感器，用于监测微流控芯片内的氧气变化，以解决一次性生物应用中缺乏通用传感解决方案的问题。该传感器采用了淬灭技术，使用Ru(dpp)₃Cl₂作为氧气敏感指示剂，并将其嵌入PDMS基质中形成柔性的氧气传感薄膜。通过基于智能手机的平台进行发光检测，确保了使用的便捷性和广泛的兼容性。所制备的传感器表现出优异的稳定性，并对溶解氧具有线性响应，相关系数（R²）为0.9998，优于其对气态氧的响应（R² = 0.9936）。此外，该传感器的检测灵敏度比之前报道的基于Ru(dpp)₃Cl₂的薄膜传感器提高了1.9倍，而成本降低到大约12美元——远低于商业替代品。这一集成系统增强了微流控设备的功能，为高精度研究氧气相关生物过程提供了实用工具。

引言

氧气对细胞调控至关重要[1]，通过激活缺氧诱导因子（HIFs）和缺氧响应基因[4]、[5]，影响各种生理过程[2]和生物分子功能[3]。例如，间充质干细胞（MSCs）在低氧条件下努力维持其干性[6]，而高氧水平则促使它们分化为成骨细胞（骨细胞）和脂肪细胞（脂肪细胞）[7]。同样，大脑室管膜下区的缺氧环境支持神经干细胞（NSC）的自我更新和神经发生，高氧水平则促进神经前体细胞分化为成熟神经元[8]。在癌细胞中，缺氧会触发一系列适应性反应，包括增加血管生成、改变代谢、增强细胞存活能力和提高侵袭性，所有这些都有助于肿瘤进展和抗治疗性[9]、[10]。此外，胎盘在怀孕早期处于相对缺氧的环境中[11]、[12]。氧气还支持肝细胞的高代谢活性[13]，促进解毒、蛋白质合成和脂质代谢等过程[14]。这些作用突显了氧气在维持细胞功能、支持生长和发育以及有效应对环境挑战方面的重要性[15]。因此，氧气的调控和传感对于建立细胞微环境至关重要。

微流控芯片是体外研究氧气调控的细胞过程不可或缺的工具[16]、[17]，能够精确控制微环境、提高通量、减少样品消耗并实现实时监测[18]、[19]。例如，McCain团队设计了一种基于微流控芯片的微生理系统，用于测量氧气梯度对心脏组织功能的影响[20]。Zhao团队提出了一种具有生理缺氧条件的皮质类器官芯片，以探索丹参酮IIA（Tan IIA）对神经分化的作用[21]。Toh团队创建了一个具有局部氧气变化的微流控模型，有效模拟了成骨细胞与软骨细胞的相互作用，为骨关节炎的病理生理学提供了宝贵的见解[22]。尽管这些研究强调了氧气在调控器官生长和发育中的重要作用，但尚未完全实现精确的氧气传感监测，这限制了对氧气调控的细胞行为的深入理解。因此，由于需要高灵敏度、快速响应时间以及与芯片设计和材料的兼容性，将氧气传感器有效集成到微流控芯片中仍然具有挑战性。

当前的氧气传感技术在集成到微流控芯片系统时存在相当大的局限性[23]。电化学传感，特别是使用铂电极进行氧气测量的Clark型传感器[24]，仍然是主流方法[25]、[26]。微型化的Clark电极可以嵌入微流控芯片中以实现局部氧气检测[27]。然而，这带来了一些挑战，包括侵入性接触检查、需要搅拌、校准要求以及读出过程中的氧气消耗，这可能导致浓度显著失真，尤其是在样品量较小时[28]。Kieninger等人开发了一种零消耗的Clark型微传感器，用于细胞培养和器官芯片系统中的氧气监测，解决了一些这些问题[29]。然而，其制造过程的复杂性阻碍了其广泛采用。此外，无论是作为自由分子还是作为灌注液中的传感器颗粒用于微流控芯片内的细胞内氧气成像的氧气指示染料[30]，都存在潜在的细胞毒性、染料在细胞器中的积累以及分布不受控制等问题，这些都阻碍了定量分析。因此，通过持续的研究和创新，迫切需要开发高效的片上氧气传感器。

基于发光淬灭的氧气传感器已成为实时监测微流控芯片中氧气变化的强大工具[23]、[31]。这些传感器的工作原理是，嵌入基质中的特定染料的发光强度在氧气存在下会降低[32]、[33]。这种淬灭效应可以与氧气浓度定量关联，提供了一种非侵入性和高灵敏度的测量方法[34]。将此类传感器集成到微流控芯片系统中，有望显著提高监测和控制微尺度环境中氧气水平的能力[35]。Mayr团队展示了一种集成的PtTFPP-PS（铂(II)中四（五氟苯基）卟啉-聚苯乙烯）传感薄膜，使用彩色CCD相机进行微流控氧气成像，展示了实时氧气测量的可行方法[36]。为了提高传感薄膜的灵敏度，Tiwari团队提出了一种简单的自组装多孔PtOEP-PS薄膜的技术，显著提高了氧气传感能力[37]。此外，Salaris等人提出了一种简单的策略，用于制造非织造的PtOEP-PS纤维网，进一步推动了该领域的发展[38]。尽管在微流控集成氧气传感器方面取得了这些进展，但金属卟啉的高成本以及由于材料不兼容性导致的传感层之间的分层和裂纹形成等问题仍需解决，以开发出准确、经济且稳定的氧气传感器。

在这项研究中，我们介绍了一种基于智能手机的集成氧气传感器的开发和表征，该传感器利用了发光淬灭技术，专门用于监测微流控芯片上的氧气消耗。与高端实验室仪器不同，这项研究侧重于系统级的创新，将经济高效的制造与基于智能手机的读出相结合，为一次性微流控环境中的实时监测提供了可行的工具。这种方法优先考虑了技术的可访问性和成本效益，同时不牺牲传感精度。氧气传感器的设计利用了发光淬灭的优势，实现了高灵敏度和快速响应，从而能够进行精确的实时氧气测量。此外，它还利用了智能手机这一普遍存在的技术进行发光读出，提高了传感器的可访问性，同时降低了总体成本。作为氧气敏感指示剂，使用了经济高效的Ru(dpp)₃Cl₂，并将其集成到高度兼容的PDMS（聚二甲基硅氧烷）层中，形成了Ru(dpp)₃Cl₂-PDMS氧气传感薄膜。讨论了Ru(dpp)₃Cl₂-PDMS传感薄膜的制造过程、基于智能手机的氧气传感器在芯片中的集成以及系统的校准和验证。此外，我们还展示了这种集成传感器在微流控环境中监测细菌培养和生化实验中氧气动态的应用。

章节片段

材料

SU-8 2050负性光刻胶及其显影剂购自Microchem Corp.（马萨诸塞州牛顿）。硅晶圆来自Xilika Crystal Polishing Material Co., Ltd.（中国天津）。PDMS预聚物和固化剂来自Dow Corning（美国密歇根州米德兰的Sylgard 184）。Tris (4,7-二苯基-1,10-菲罗啉) 钌(II) 二氯化物复合物Ru(dpp)₃Cl₂购自Bidepharm（中国上海）。SYTO9-PI活菌和死菌染色试剂盒购自

集成氧气传感器的构建和实现

微流控芯片常作为一次性设备用于生物研究，因此需要经济高效且易于获取的集成氧气传感器。尽管对这些传感器的需求至关重要，但由于缺乏通用范式，该领域的研究受到了限制。现有的解决方案往往成本高昂、结构复杂，不适合与微流控系统集成。为了解决这些障碍，我们建议创建基于智能手机的集成

结论

总之，我们介绍了一种基于智能手机的集成氧气传感器的开发和表征，该传感器利用了发光淬灭技术。它利用了智能手机这一普遍存在的技术进行发光读出，提高了传感器的可访问性，同时降低了总体成本。作为氧气敏感指示剂，使用了经济高效的Ru(dpp)₃Cl₂，并将其集成到高度兼容的PDMS（聚二甲基硅氧烷）层中，形成了Ru(dpp)₃Cl₂-PDMS氧气

CRediT作者贡献声明

杜明阳：可视化、研究。廖文军：撰写 – 审稿与编辑。李军：撰写 – 审稿与编辑。严婉婷：数据管理。林海峰：撰写 – 原稿、方法学、数据分析、概念化。郭婷：撰写 – 原稿、数据分析、概念化。李红华：撰写 – 原稿、数据分析、概念化。吴启宇：撰写 – 审稿与编辑。林玲：撰写 – 审稿与编辑、监督，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：22322401、82073816、32500170）、北京Nova计划（20220484055）、北京工商大学的杰出人才计划（编号：19008021179）、中国博士后科学基金（编号：2023M730133）以及北京工商大学青年学者研究基金（RFYS2025）的财政支持。