综述：微流控器件中的干涉式折射率检测方法——综述

《Analytica Chimica Acta》：Interferometric Refractive Index Detection Methods for Microfluidic Devices – A Review

　　乌达拉·帕斯奎尔·汉迪|普拉穆达·D·拉特纳亚克|梅雷迪思·R·戈尔德斯坦|梅玲·M·乌普|罗伯特·C·邓恩
堪萨斯大学化学系拉尔夫·N·亚当斯生物分析化学研究所，地址：堪萨斯州劳伦斯市贝克尔大道2030号，邮编66047

**摘要**
**背景**
微流控平台在化学分析领域的应用，对用于监测化学过程及微量样品检测的探测器提出了新要求。基于折射率检测的方法为开发紧凑、低成本且易于与微流控装置整合的探测器提供了可能。由于折射率是一种通用信号，从无机离子到大型蛋白质的各种分析物都可在无需添加外部标记物或对比剂的情况下被检测到，而且现有的多种检测方法也为平台设计带来了灵活性。

**结果**
本文总结了在微流控装置中用于折射率测量的马赫-曾德尔干涉仪、杨氏干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、光纤布拉格光栅以及背向散射干涉仪的发展情况。针对每种技术，我们阐述了其检测原理，并通过实例展示该方法的广泛应用潜力。鉴于这一领域的研究成果众多，这些实例旨在说明不同方法的实现方式。文中还探讨了远距离检测与沉浸式传感设计的特点，并总结了用于整体折射率测量及特定传感应用的各项性能指标。这些研究成果为未来开发低成本、可大规模应用的微流控分析平台奠定了基础。

**意义**
在微流控系统中，可通过集成波导、光纤、结构化光纤、空间光束等多种配置来实现折射率检测，这使得它成为一种极为灵活的微观检测方法。本综述介绍了几种干涉测量技术的最新应用，比较了它们的性能指标，并探讨了其与微流控技术结合发展的前景。

**引言**
用于化学分析的微流控装置的出现，使得对同样小巧的检测器的需求日益增加，以便能够捕捉感兴趣的化学信号。诸如毛细管电泳和微芯片电泳之类的技术，因其最佳运行所需的小型通道而本质上属于微流控技术。微通道可限制电泳分离过程中的电流，从而避免焦耳热带来的不良影响[1]。其他应用，如数字PCR[2]、即时诊断技术[3]以及单细胞分析[4]，通过缩小分析平台的尺寸，也能提升性能并降低成本。例如，更小的体积意味着更低的样品和溶剂需求、更高的检测效率以及更快的分析速度。

实验室芯片设备的发展与微制造技术的不断进步密切相关。早期，微制造需要大量的资源与基础设施，但如今相关技术和仪器已发展到只需适度初始投资即可广泛使用的程度[5]。这促使人们开发出小型、紧凑的化学分析平台，用于野外检测及即时诊断等场景。推动微分析平台发展的目标，是利用微制造工艺的可扩展性来降低成本、提升性能并提高设备的普及度。为此，人们设计了多种流体结构，用于在有限空间内引导、混合液体并控制流体流动，从而实现复杂的分析任务[6]、[7]。而要检测这些分析过程中产生的化学信号，也需要相应多样的检测工具。

质谱分析法被认为是目前最强大的化学分析检测技术。与核磁共振类似，它兼具无标记检测特性和高化学特异性。不过，质谱的检测限较低，且难以与其他分析技术如气相色谱和液相色谱结合使用，因此它更适合用于分析复杂混合物[8]、[9]。然而，对于许多实验室芯片应用而言，质谱检测并非最佳选择。将其与芯片上的分析方法结合较为困难，相关仪器价格昂贵且维护成本高，占用空间较大，还需要完善的基础设施、专业培训和支持。这些因素可能限制实验室芯片技术的应用，尤其是在需要便携性和在资源匮乏地区使用的场景中。

相比之下，光学检测技术则非常适合实验室芯片应用[10]。光源、检测器和光学元件价格低廉且易于微型化。目前已有多种光谱技术可用于探测不同的化学性质[3]、[11]。偏振光和高时间分辨率可为检测提供额外的对比度，而利用荧光以及最近的散射光检测技术，甚至可以实现单分子级别的检测[12]、[13]、[14]。此外，支撑庞大光学存储与通信市场的技术进步，也推动了低成本、微型化光学元件的发展[15]。例如，现在只需几美元就能买到能输出数百毫瓦功率、覆盖宽光谱范围的小型二极管激光器。这些优点使得光学检测成为微流控应用中的理想选择。

紫外-可见吸收、荧光和拉曼光谱等方法也都已被应用于微流控检测中[10]、[11]、[12]、[13]。其中，紫外-可见检测应用最为广泛，而荧光检测则具有最佳的检测限。拉曼检测的化学特异性更高，但由于其信号强度较弱而存在局限。表面增强拉曼效应虽能显著提升检测灵敏度，但将其应用于在线微流控系统却较为困难。此外，这些方法都无法为所有分析物提供统一的检测信号。紫外-可见检测要求分析物在合适的光谱区域具有吸收特性，荧光检测仅适用于少数天然荧光分子，或者需要经过衍生化处理；而拉曼检测则受限于较弱的信号强度。这些方法也无法直接检测钠离子、钾离子和钙离子等原子级离子，而这些离子在生物功能调控和环境监测中具有重要意义。

相比之下，折射率检测被认为是一种通用检测信号，理论上可以响应所有分析物。介质的折射率定义为：其中，是真空中的光速，是在该介质中的光速，和分别是真空中的介电常数和磁导率，和则是该介质自身的介电常数和磁导率。比值和进一步被定义为无量纲介电常数和相对磁导率。对于大多数介质而言，的值非常接近1，此时公式可简化为[16]。从物理层面来看，介电常数反映了某种材料中的电子在电场作用下极化的难易程度。光线穿过材料时产生的振荡电场会与可极化的电子相互作用，从而使光线速度减慢。这一普遍机制正是折射率检测能够适用于各种分析物的原因。从原子离子到小分子再到大型蛋白质，所有加入溶液中的物质都会改变介质的折射率，从而为检测提供可能。这种无需标记的通用检测方法虽然缺乏质谱或核磁共振等强大无标记检测技术的特异性，但其成本更低，易于微型化，且稳定性更强。此外，通过在微流控分析体系中引入抗体或适配体等识别元素，往往可以提高检测的特异性。因此，折射率检测有望成为多种微流控应用中一种高效且灵活的检测手段。

目前已有许多方法被用于微流控平台中的折射率检测。本文主要介绍几种基于干涉测量技术的检测方法，包括马赫-曾德尔干涉仪、杨氏干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、光纤布拉格光栅以及背向散射干涉仪。由于表面等离子体共振干涉仪这类基于共振的技术已经有了悠久的发展历史且已被商业化应用，因此本文未对其展开讨论[17]、[18]。不过，表面等离子体共振技术常常与其他方法结合使用以增强信号强度，相关内容会在适当章节中简要介绍。有兴趣了解表面等离子体共振检测技术现状的读者，可参考一些优秀的综述文章[19]、[20]。鉴于这一领域研究十分活跃且发展迅速，本文也未涉及回音壁模式谐振器的相关内容。相关最新进展可参考其他优秀综述[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。

在本综述中，我们试图总结各类检测技术的发展情况，并结合文献中的具体案例，探讨其在微流控应用中的潜力。我们的目标并非涵盖所有具体应用，而是总结该领域的当前发展状况，分析最新趋势与独特应用场景，进而比较微流控检测技术的整体潜力。

马赫-曾德尔干涉仪源于路德维希·曾德尔和路德维希·马赫的独立研究工作。曾德尔在1891年提出了该技术的初步设计方案[26]，随后马赫在1892年对该装置进行了改进[27]。这种自由空间型装置利用一对分光镜和反射镜将光分成两路，再在干涉仪中重新合并，如图1所示。其中一路光穿过待检测样本，另一路作为参考光。合并后光束的输出功率强度由以下公式给出：其中，是输入光功率，是条纹对比度，是检测臂的长度，是光波长，是偏置相位，而和分别是检测臂和参考臂的有效折射率[28]。检测臂与参考臂之间的相位差由以下公式表示：其中，偏置相位用于补偿系统中可能存在的初始相位偏差[29]。输出强度取决于检测臂与参考臂之间的有效折射率差，这一差异正是实现检测的依据。增大该折射率差可有效提升检测限，由于输出信号的周期性变化遵循余弦函数，因此检测灵敏度还与初始相位位置有关[28]、[30]。

马赫-曾德尔干涉仪既可以在自由空间中实现，也可以基于光纤或平面波导构建，其中后者在完全集成的微流控应用中具有明显优势。早期的检测实验多采用自由空间结构，由于需要单独的光学组件，如分光镜、反射镜和耦合器，导致系统体积庞大且对对准精度要求极高[31]。近年来，更多研究集中在光纤基[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]以及微制造型[30]、[32]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]、[56]、[57]、[58]、[59]、[60]、[61]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]、[67]、[68]、[69]、[70]、[71]、[72]、[73]、[74]、[75]、[76]、[77]、[78]的马赫-曾德尔干涉仪平台上。

基于光纤的马赫-曾德尔干涉仪传感器采用了多种几何结构来增强信号强度并实现与微流控系统的集成。这些结构包括无芯光纤[76]、[79]、露芯微结构光纤[80]、[81]、[82]、锥形结构[83]以及横向失配腔体[84]。温度敏感性仍是所有基于干涉原理的折射率检测技术面临的主要挑战，因此许多研究都致力于开发补偿方案[79]。相关策略包括结合马赫-曾德尔干涉仪与表面等离子体共振的传感器[76]、[79]、[85]、马赫-曾德尔干涉仪与光纤布拉格光栅的组合[83]，以及完全集成的马赫-曾德尔干涉仪-表面等离子体共振-光纤布拉格光栅架构[77]，以此将生化信号与温度漂移分离，从而在实际操作条件下实现可靠的微流控生物传感。

有一个完全集成的设计示例，该设计利用飞秒激光微加工技术，将马赫-曾德尔干涉仪、表面等离子体共振传感器和光纤布拉格光栅传感器集成到一根光纤系统中，以实现多参数检测和温度监测[77]。在两根单模光纤之间放置了一段微结构光纤，该微结构光纤包含一个空气腔体以及两个核心，其中一个核心靠近腔体壁，作为检测路径，另一个埋藏的核心则在马赫-曾德尔干涉仪结构中充当参考路径。通过微加工波导，在两根单模光纤与微结构光纤的检测核心之间建立了光路，同时在该微结构光纤的外表面涂覆了一层薄金膜，用于实现表面等离子体共振检测。马赫-曾德尔干涉仪传感器用于检测尿素，而表面等离子体共振传感器则用于检测肌酐，肌酐常作为尿液分析中反映体内浓度变化的指标[77]。光纤布拉格光栅传感器将在后续章节中详细介绍，它在该设计中主要用于监测温度变化，且不对局部折射率变化敏感。因此，光纤布拉格光栅传感器为温度提供了独立的测量依据，有助于校准其他传感器的输出值。采用这种检测方法，MZI技术检测尿素的灵敏度为3.8纳米/毫摩尔，检出限为0.09毫摩尔；而在去离子水中，SPR技术检测肌酸的灵敏度为7.2纳米/毫摩尔，检出限为0.07毫摩尔。[77]至于在更复杂的样品基质中的检测性能则未有相关报道。很早之前人们就意识到MZI结构非常适合用于微加工波导。例如在1991年，Heideman等人就在晶圆上制造了氮化硅波导，以此为MZI检测创建样品路径和参考路径。[45]早期的研究便展示了利用基于芯片的MZI结构来检测抗体及免疫反应的能力。[45]此后很快就有更为集成化的芯片设计出现[46]、[47]、[48]、[86]，同时还出现了光流体MZI技术，这种技术利用液体核心波导在溶液内部引导光线传播。[50]、[52]、[54]、[55]其他研究则表明，绝缘体上硅光子线波导由于具有较大的折射率差异以及紧凑的尺寸，能够产生较强的衰减场，因而具有优势。[87]后续研究还展现了这类传感器较低的温度漂移特性以及多路检测功能，有一项研究甚至将六对螺旋形感应线和参考线与SU-8微流控通道结合在一起，实现了多目标检测。[51]、[53]在硅[59]或氮化硅[57]、[62]、[71]、[88]、[89]上制造的MZI结构，能够形成通过光刻工艺精确设计的干涉仪臂，这类结构损耗低、相位稳定性好，而且还能与晶圆级加工工艺相兼容，便于整合PDMS或玻璃微流控通道。基于聚酰亚胺波导的聚合物类MZI平台同样适合大规模且成本较低的制造流程，对于需要一次性使用的、适用于即时检测的生物传感装置而言可能更具优势。[90]最后，为了增强光与物质的相互作用，人们还开发出了槽型波导或多孔硅MZI结构；而光子晶体波导则能显著缩小传感器的尺寸。[30]、[56]、[57]、[58]、[63]、[91]、[92]目前已有大量关于MZI传感技术所采用的不同几何结构、材料以及集成程度的研究报道。[32]、[93]、[94]、[95]、[96]或许相较于其他任何干涉测量技术，MZI都提供了一种更具可扩展性、灵活性且成本效益更高的高性能传感方案。引入等离子体组件也被证明是提升MZI器件折射率灵敏度的有效方法。[97]、[98]、[99]例如在图2A中所示，有人将一条长70微米的金金属条集成到MZI的感应臂中，以此提升折射率检测的性能。[100]为弥补等离子体波导带来的损耗，人们在参考臂中加入了一个热光可控的可变输出衰减器（VOA），用以平衡两个臂之间的信号强度，优化输出端的消光比，进而提升检测限。此外，参考臂上的另一个热光结构则充当相位调节器，帮助将MZI调整到最佳的光谱响应窗口。通过这种方式，该传感器的体积折射率灵敏度达到了1930纳米/RIU，消光比则为37分贝。[100]MZI器件的一大优势在于其可通过与CMOS工艺兼容的方法实现规模化生产。[101]、[102]在后续研究中，如图2B所示，人们用铝取代了原来的金条，从而使该传感器平台具备CMOS兼容性。图2C进一步展示了在20毫米×20毫米的芯片上制作了八对MZI感应臂和参考臂，用于检测大肠杆菌和C反应蛋白（CRP）。[72]该传感器能够在缓冲液中检测到浓度为10细胞/毫升的大肠杆菌，而缓冲液中检测到的最低CRP浓度为5微克/毫升，据此计算出的检出限为0.29微克/毫升，在血清样本中的检出限则上升至2微克/毫升。该传感器的体积折射率灵敏度为1533纳米/RIU，所有检测都在13到25分钟内完成。[72]虽然MZI的等离子体感应臂能够提升灵敏度，但两臂之间的不对称性会增加传感器对各种因素导致的波动的敏感度，比如热光响应方面的不平衡。为解决这一问题，如图2D所示，人们在感应臂和参考臂中都集成了铝制等离子体波导，从而降低了传感器对温度变化的敏感程度。[75]还有研究通过数值模拟指出，该传感器的体积折射率灵敏度还有可能提升到2322纳米/RIU。[75]对于需要低成本检测的场景而言，那种可在专用读取设备中轻松更换的一次性MZI芯片是一种极具前景的解决方案。图3展示了一个相关的有趣案例。该方法利用芯片上的有机激光器将光耦合到集成在芯片内的MZI波导中，具体结构如图3A所示。[68]那些开口式的螺旋形氮化硅波导外覆有一层厚度为800纳米的PMMA包层，该包层中掺入了激光染料吡罗甲烯597。这一结构被用来在芯片上构建激光谐振腔（见图3B）。如图3A所示，这些芯片上的激光器是由外部激光源进行泵浦的。由于泵浦激光器的光斑较大，且芯片上激光器的尺寸较小，因此对对齐精度的要求相对较低。芯片上的激光光会被引导至由三个MZI构成的传感器阵列，这三个传感器的输出光会依次被引导至光栅，最终将光导出芯片以便进行检测。[68]由于泵浦光源和检测器都采用分离式、自由空间耦合的结构，这种设计成功避免了传统光纤与芯片连接时所需的精密对齐操作。此外，该设计还便于与微流控腔室相结合，如图3A所示。一个带有流体交换接口的PMMA盖子通过PDMS隔片与芯片密封连接。在一项概念验证实验中，人们将不同浓度溶解在缓冲液中的纤维蛋白原引入检测腔室。使用长度为1.8毫米的感应臂，对该检测体系进行了检测，当纤维蛋白原浓度为17纳摩尔时就能检测到相应的信号变化，据此计算出的检出限为2.14纳摩尔。[68]芯片的制造过程仅需一步光刻工艺即可完成氮化硅波导的制备，而掺有染料的聚合物包层则可以通过旋涂或喷墨打印的方式制成。因此，整个芯片的制造流程相当简单，且易于实现大规模生产。此外，激励激光器和检测器之间采用空间耦合的方式也具有优势，它有助于实现芯片与最终应用设备的连接，进而简化微流控系统的整合工作。可以预见，这种设计有望带来成本低廉、可一次性使用且能在专用芯片读取设备中快速更换的检测芯片。当然，目前这一方案还处于初步阶段，因为实验中使用的还是重复频率较低的台式Nd:YLF激光器作为芯片上激光器的激励源。不过也有研究认为，通过降低激励源的复杂度及体积，再结合经过优化的芯片上激光谐振腔，完全有可能打造出适用于即时检测场景的紧凑型芯片读取装置。[68]频率分辨型（FR-MZI）和宽带型（BB-MZI）MZI平台用白光光源以及光谱分析技术替代了传统MZI中所使用的窄带激光器。[28]、[103]、[104]、[105]这种设计的优势在于能够在不同的工作状态下保持较高的检测灵敏度。例如，它无需像使用单波长光源时那样通过正交调谐的方式来调整感应臂和参考臂之间的相位，从而提升灵敏度。[28]、[60]此外，宽带型MZI也非常适合用于高度集成化的传感器设计，因为在这样的设计中，几乎所有的光学元件都是在芯片上直接制造的。近期的研究主要集中在持续开发各类宽带型MZI平台，这类平台可用于食品安全[70]、[106]、[107]、环境监测[108]、[109]、[110]、[111]以及临床诊断[33]、[65]、[69]、[112]等领域的高灵敏度生物传感应用。例如在某项研究中，人们使用了十个硅雪崩发光二极管（LED）来激发集成在一块面积为8.0×4.2毫米2的小芯片上的十个MZI传感器。[106]该干涉仪的设计特点在于，通过选择性去除SiO2顶层包层，形成了一个600微米宽的感应区域，而试剂则通过外部的微流控模块输送到传感器中。[106]这类集成化平台在食品真伪鉴定方面的应用价值得到了充分体现，例如它曾被用来检测高端莫扎里拉奶酪和菲达奶酪中被掺入的劣质牛乳。[106]后来，这一基本架构又被进一步改进，用于检测水样和牛奶中的细菌[107]以及乳制品中的毒素[70]。在另一项后续研究中，人们设计出了一种完全集成化的多路检测传感器，如图4所示，这种传感器将光源、MZI传感器以及光电二极管阵列检测器全部集成在一片面积为9.7毫米×3.8毫米的小芯片上。[113]、[114]每块芯片上都装有10个LED，这些LED能够发出530至950纳米波段的光。每个LED都会与10条波导中的一条相连，这10条波导在芯片上构成了5对感应臂和参考臂。在该设计中，通过去除SiO2包层所形成的感应区域宽度从600微米增加到了2毫米，以此进一步提升检测信号的强度。[113]这些波导对的输出光会经过5个芯片上的光栅进行分析，每个MZI传感器对应一个光栅，这些光栅会将光分别引导至5组由10个光电二极管组成的检测阵列中。此外，人们还研发出了一款便携式的专用读取设备，该设备可将芯片固定到位，同时具备所有必要的电气连接和流体连接功能，从而实现检测操作。[113]、[114]通过在该便携式平台上检测乳制品工业用水中的三种过敏原，以及啤酒中的两种霉菌毒素，人们进一步证明了该平台的实用性。[113]与高度集成化的微流控平台相比，另一种颇具吸引力的解决方案就是不可浸没式MZI探针。[69]、[78]、[115]、[116]对于某些应用而言，这种设计方案极具吸引力，因为它无需像基于流动介质的MZI传感系统那样配备泵浦装置、流道以及其他流体相关组件，同时仍能保持较高的干涉测量灵敏度。例如在某项研究中，人们制造了含有两条U形氮化硅波导的硅芯片，由此制成的MZI传感器的输入端和输出端都位于芯片的同一侧。[115]如图5A所示，分叉光纤的一条分支用于向波导的输入端输送白光，而另一条分支则用于将波导输出端的光引出。输出光随后会被送入计算机控制的光谱仪中进行进一步分析。[69]、[78]、[115]、[116]对于需要即时检测的应用场景而言，这种设计大大简化了系统结构，因为传感器仅需要外部光学组件（如光谱仪、光源等），并且通过柔软的光纤接口与外部设备相连。不可浸没式传感技术已经在临床检测和食品安全检测领域得到了应用验证。[69]、[78]、[115]、[116]杨氏干涉术（YI）所使用的光路结构与MZI类似，如图6所示。在杨氏干涉术中，光学输入光会在Y形交叉点处被分成两路，分别沿着感应臂和参考臂传播，这一过程与MZI传感机制相同。不过，与MZI不同的是，这两路光不会重新合并，而是直接进入自由空间，随后产生的干涉图案会被投射到检测器上。因此，只要感应臂和参考臂之间的有效折射率发生任何变化，投射到检测器上的干涉图案就会随之发生变化。与MZI传感技术一样，杨氏干涉术的几何结构也非常适合与微流控系统相结合。实际上，早期用于传感应用的杨氏干涉术原型就是采用小型流控单元，并搭配集成式的激光源，这样的装置被封装在体积较小的独立传感单元中，仅需外部电源供电即可正常工作。[117]、[118]这些早期研究展示了通过自由空间光束穿过流控单元来实现体积折射率检测的技术[117]、[118]，同时也出现了基于衰减场原理的杨氏干涉术传感设计[117]、[119]。鉴于这类设计能够实现结构紧凑、几何结构易于扩展，同时还能够通过固定在表面的识别元件（如抗体或适配体）来实现高特异性检测，因此基于衰减场原理的杨氏干涉术传感技术在各类传感应用中越来越受到青睐。在一系列有趣的科研论文中，人们开发出了基于集成芯片的多路检测技术，这类芯片采用了多条间距各不相同的波导，结构如图7A所示。[120]、[121]、[122]、[123]图7A中所展示的特定芯片包含了3条感应波导（编号1至3）以及1条参考波导（编号4），每条感应波导上都连接有特定的抗体分子。[123]在传统的双臂杨氏干涉术设计中，投影出的干涉条纹中的空间周期由以下公式给出：其中，表示从自由空间耦合点到检测器的距离，表示真空中的光波长，表示材料的折射率，而则表示如图6所示的两臂之间的间距。[117]因此，图7A中所展示的四种不同通道结构的芯片，一共有六个不同的值，这些值分别对应于相邻通道之间的三种不同间距，以及非相邻通道之间的三种间距。[121]、[123]对图7B中所展示的复杂模拟干涉条纹进行傅里叶变换后，就可以在图7C中得到六个不同的频率，正是这些频率使得该技术能够实现多种分析物的多路检测。[120]人们首先通过特异性检测人类血清白蛋白（HSA）的方式，证明了该技术用于免疫分析的可行性[122]，之后又进一步发展出了该技术，实现了对HSA和单纯疱疹病毒1型（HSV-1）的同时多路检测[123]。后者的检测浓度为850颗粒/毫升[123]，后续报告还探讨了开发用于病毒爆发检测的手持式便携传感器的未来前景[124]。在YI技术方面的其他进展还包括利用多种波长来区分结合物种的大小[125][126]，以及采用玻璃制波导的棱镜耦合设计，从而简化对齐过程[127][128]。还有报道介绍了使用薄金条集成长距离表面等离子体极化子波导[129]，以及沿通道轴进行折射率测量的成像技术[130][131]，同时也有关于小分子检测的研究[132]，以及提出宽带激发方案的报道[133]。人们还付出了大量努力将聚合物结构用于波导制造[134][135][136][137][138][139][140][141][142]，以此形成微流控通道[130][131][143][144][145]或作为样品室[146]。有一系列论文采用了紫外线固化的混合聚合物（包含无机和有机成分），在硅基底上制备了用于可见光应用的倒棱形[135]、双板形[136]和槽形[134][137][138][140]波导。那些折射率经过调谐、可用作波导核心和包层的聚合物，通过紫外线压印和旋涂技术以不同结构被图案化到表面上。槽形波导在传感领域颇具潜力，因为这类结构能将光线限制在两个高折射率导轨之间的低折射率溶液区域内。利用这种设计，检测葡萄糖的浓度可达到0.01%的水平，计算出的检测限为0.005%[138]，这相当于折射率变化为6.4×10^-6 RIU。不过，为了限制光线，需要较高的柱体纵横比以及狭窄的间隙（20-100纳米），这就增加了制造难度，同时也可能限制分析物进入间隙区域，进而影响传感效果[138][147]。通过在导轨上涂覆一层高折射率材料，如Al2O3/TiO2，可以在一定程度上缓解这些限制[140][147]。如图7D-F所示，通过一种可扩展的卷对卷制造工艺，实现了制造廉价、一次性使用的YI传感器这一目标[141][142]。首先用镍模具压制在丙烯酸基材料上制造出凹槽，然后再填充环氧基波导材料，从而在材料卷上制成倒脊波导结构。利用图7D所示的传感器架构，对两块芯片进行的初步测试显示，它们能够检测出浓度为0.006重量百分比的葡萄糖，对应的折射率变化为10^-6 RIU级别[141]。后续研究则展示了利用含有分子印迹聚合物和抗体的波导进行特定物质检测的可能性[142]。尽管分析物的响应效果不尽理想，但这些研究仍体现了大规模生产廉价且可一次性使用的传感平台的潜力。

法布里-珀罗干涉仪是以其发明者——法国物理学家查尔斯·法布里和阿尔弗雷德·珀罗的名字命名的，他们于1890年代末提出了这一技术[148][149]。从历史上看，作为一种法布里-珀罗干涉仪的变体，标准具因其出色的分辨率而被广泛用于光学领域的光谱过滤和波长校准。法布里-珀罗干涉仪最初是一种主要用于高分辨率光谱分析的工具[148][150][151][152]，后来发展成为现代电信技术[153][154][155]、引力波研究[156][157][158]、环境参数如温度的精准监测[159][160][161]，以及微流控生物传感[162][163][164][165][166][167]中的重要光学元件。法布里-珀罗干涉仪的基本原理如图8A所示。两个反射器平行排列，二者之间有一定距离，间隙中填充着折射率为n的介质。这些部分反射器可以是部分涂有银或其他反射金属的玻璃板[148][150]，也可以是带有电介质涂层的基板[168]，甚至是未涂层的玻璃（精细度较低）[169]。当光线照射到法布里-珀罗干涉仪上时，每个界面处的部分反射光和透射光会导致光程差和干涉现象。光线在腔体内的每次往返都会增加一个相位，该相位值由以下公式给出：Δφ = 2π(n·d·sinθ)/λ，其中n是间隙中的折射率，d是两块反射板之间的距离，λ是光波长，θ是光线与光源方向的夹角，如图8A所示。在法布里-珀罗干涉仪的传感应用中，由于大多数设计都采用同轴几何结构，因此这个公式通常会被简化为Δφ = 4πn·d·sinθ/λ[158]。当分析离轴条纹（同心圆环）或采用扩展光源成像时，则需要考虑cosθ项[168]。方程5中对n的依赖关系揭示了其在生物传感应用中的基本工作原理。当光线的往返相位为某整数的倍数时，就会发生共振现象，这一条件可由法布里-珀罗方程表示：2π(n·d·sinθ)/λ = m·2π，其中m为整数。当满足建设性干涉条件时，透射出来的光会在共振波长处出现强烈的峰值。这些峰值的尖锐程度取决于反射板的反射率，而反射率可通过艾里函数来描述，该函数用于表示透射强度：I_trans = I_inc/(1 + (I_inc/I_ref)^2·exp[-2π(n·d·sinθ)/λ])。其中I_inc是入射光强度，I_trans是透射光强度，f为精细度系数或反射率精细度参数，R为反射板的反射率，其取值范围在0到1之间，数值为1时表示理想的完美反射器。当R趋近于1时，f的值会变得非常大，此时方程7所描述的共振宽度也会极为狭窄。这一特性可以通过精细度参数来量化，其计算公式为：f = 4π(n·d)/λ。在传感应用中，高精细度的法布里-珀罗干涉仪具有优势，因为较窄的峰值使得微小的变化也能被准确检测出来[170]。相邻峰值之间的间距则由自由光谱范围决定，该值反映了因折射率变化而导致光谱位移时可明确识别的范围。减小反射器之间的间隙可以增大自由光谱范围，从而使相邻共振峰之间的分离度更高。在实际应用中，大多数光纤和微流控法布里-珀罗干涉仪的腔体长度都在数十到数百微米之间，这样既能避免不同频段的光谱重叠，又能保持较高的灵敏度[171][172]。法布里-珀罗干涉仪最初是被设计并实现为一种自由空间光学器件，由两个平行排列且之间有间隙的反射器组成[170]。而在传感应用方面，目前的趋势则是发展芯片内置型架构[162][173][174]，以及与光纤整合在一起的传感器[18][175][176]。前者最初是将法布里-珀罗干涉仪腔体与流体通道相结合，用于整体流体分析和单细胞检测[177][178][179]，而后者则源于在锗硅酸盐光纤中发现的光诱导光栅现象[180]。随着低损耗光纤的发展，基于“光纤实验室”技术的法布里-珀罗干涉仪传感应用已经得到广泛推广。虽然这类技术最初是用于物理传感领域[181][182][183]，但后来的发展还催生了基于波导的超紧凑型化学传感器[184][185]。如图8B和C所示，基于光纤的法布里-珀罗干涉仪传感器一般可分为内在型法布里-珀罗干涉仪和外在型法布里-珀罗干涉仪两类[158][186][187]。内在型法布里-珀罗干涉仪的反射器完全位于光纤内部，通常是通过光诱导机制制成的。而外在型法布里-珀罗干涉仪则利用光纤的切割端等外部反射器来构成法布里-珀罗干涉仪的腔体[158][186][187]。基于光纤的法布里-珀罗干涉仪设计具有诸多优点。由于它们可以从光纤末端以反射模式工作，因此很容易实现便捷的“浸入式检测”操作方式[188]。此外，由于共振腔的增强效应，这类传感器能够具备较高的灵敏度[189][190][191]，而且通过常规的光纤切割或化学蚀刻方法就能轻松制造出来[192][193][194]。2023年，王等人提出了一种用于无标记检测胆固醇的浸入式法布里-珀罗干涉仪传感器设计，如图9A所示[195]。首先将环氧树脂旋涂成均匀的薄膜，然后将其转移到陶瓷管的一端，随后将单模光纤穿入并放置在该陶瓷管附近。在环氧树脂膜上方干燥后的氧化石墨烯层被激活，与β-环糊精发生反应，从而制成传感器，如图9B所示。β-环糊精形成的疏水空腔能够捕获胆固醇，进而增加薄膜的厚度和折射率，而这些变化都可以通过法布里-珀罗干涉仪检测到。该传感器在低浓度（0-0.5 mM范围）下的灵敏度为3.92纳米/毫摩尔，在较高浓度范围（0.5-2 mM）下的灵敏度则为0.5967纳米/毫摩尔。通过使用浓度从125微摩尔到8毫摩尔的胆固醇标准样进行校准，得出的检测限为3.48微摩尔。当遇到血红蛋白、葡萄糖和抗坏血酸等干扰物时，该传感器仍表现出良好的重复性和选择性。其便捷的浸入式检测方式、可重复使用性以及几分钟内的检测时间，使其有望成为适用于即时检测场景的理想方案。另一种浸入式检测结构则是通过飞秒激光直写技术，在单模光纤的末端制造出法布里-珀罗干涉仪结构[196]。在这种传感器设计中，传感机制是基于机械变形而非整体折射率的变化。通过二光子聚合技术，利用对六价铬敏感的水凝胶墨水，在光纤末端制造出了类似笼子的中空结构，如图9C和D所示。为了形成法布里-珀罗干涉仪的腔体，还在笼子的另一端使用了对六价铬不敏感的丙烯酸光阻材料制作了一个方形端盖。笼子上的开放结构使得液体能够流入其中。在水中，这种结构膨胀后的整体尺寸大约为每边140微米左右。用于制造笼子的对六价铬敏感的水凝胶在接触到Na2CrO4溶液后会收缩，从而改变法布里-珀罗干涉仪传感器中的腔体长度，进而实现传感功能。据报道，该传感器对浓度低至10^-8摩尔的Na2CrO4溶液都有响应，计算出的检测限为1.48纳摩尔。通过用其他阴离子和阳离子对传感器进行测试，也证实了其良好的选择性。这种结构紧凑、自给自足的传感器以及便捷的浸入式检测方式，使其适合在微流控平台的关键位置进行传感，也可用于反应过程监控，或是那些需要现场部署传感器的应用场景。此外，与那些依赖折射率变化的传感器相比，这种传感器对温度变化的敏感度更低。不过总体而言，这种繁琐且成本较高的制造工艺仍需进一步优化，同时其传感机制也需要拓展，以便应用于更广泛的领域。龚等人也采用了类似的两光子聚合技术，在切割过的光纤末端制造出锥形结构，以此实现两种不同的传感功能[174]。该锥形结构的外表面涂有金层，可用于表面等离子体共振传感，检测目标分子的结合情况；而锥形结构的内部则集成了法布里-珀罗干涉仪，用于监测溶液中整体折射率的变化。单链探针DNA被固定在金层表面，通过表面等离子体共振效应检测互补DNA的结合情况。实验表明，对于溶液中浓度为5纳摩尔的互补DNA，该传感器能够检测到相应的信号变化，据此计算出的表面折射率检测限为1.2纳摩尔，而法布里-珀罗干涉仪检测整体折射率变化的检测限则为4×10^-4 RIU[174]。在存在复杂干扰因素的生物流体环境中，同时检测表面折射率和整体折射率可能具有明显优势。还有一种有趣的自我参考型法布里-珀罗干涉仪设计，它是通过使用常规的光纤切割和熔接工具，将不同类型的光纤拼接在一起而制成的[197]。在这项研究中，多模光纤和裸芯光纤的短段被夹在两根单模光纤之间，如图10所示。这里的裸芯光纤是一种四孔悬浮芯光纤，经过机械抛光处理后，其中一个空气腔被暴露出来，如图10A所示。图10B中所有光纤的深灰色阴影区域代表光限制区域，对于裸芯光纤来说，这些区域就是其内部的空气腔。从第一根单模光纤传入的光线会与多模光纤耦合，多模光纤在此起到扩束的作用。光线扩散后，会遇到相对于多模光纤有偏移位置的裸芯光纤。光线会进一步进入悬浮芯结构中剩余的空气腔，以及通过裸芯光纤上加工出的暴露腔进入自由空间。其中自由空间作为传感区域，而裸芯光纤中的空气腔则作为参考通道。随后，从第二根单模光纤反射回来的光会在第一根单模光纤和第二根单模光纤之间形成法布里-珀罗干涉效应，用来探测传感区域；而在第三根单模光纤和第四根单模光纤之间也会形成类似的干涉效应，用来探测作为参考通道的空气腔。这两种干涉效应会产生具有不同频率及相应相位的信号，其中参考通道的相位用于提升检测的准确性和稳定性[197]。在这项研究中，传感区域被修饰上了pDNA链，用以结合并检测cDNA序列。研究人员实时测量了cDNA浓度在1到5微摩尔范围内时，由于分子结合而产生的相位变化。通过该校准曲线计算得出的检测限为0.12 μM。[197]与那些需要昂贵激光器的微制造方法不同，这种设计使用常规光纤工具即可轻松组装。在FPI传感器的发展初期，人们就认识到了多孔硅膜在无标记FPI传感中的应用价值。[198]多孔硅膜具有类似海绵的纳米结构，能为分析物在传感应用中的接触提供较大的表面积。研究表明，从薄多孔膜的上下界面反射的光线能够形成FPI应用所需的腔体。这种通用方法在FPI传感应用中被广泛使用。[199]然而，小孔内的质量传递往往会影响这些设备的灵敏度。为解决这一问题，有研究通过优化薄膜结构，并利用3D打印的微流控平台整合混合几何结构，从而提升了FPI传感性能。[200]在本研究中，固定化的适配体被用来结合乳铁蛋白——这是一种在患有胃肠道炎症性疾病（如炎症性肠病和慢性胰腺炎）的患者体内水平升高的生物标志物。研究发现，通过将孔径增大到80纳米、层厚减少到3微米以及精细调整适配体表面密度，可以优化多孔纳米结构。[200]这样的优化有助于促进蛋白质渗透，使灵敏度提高了一个数量级。为进一步提升性能，研究人员还制造了采用被动式（交错人字形混合器）和主动式（磁性微叶轮）混合结构的3D打印微流控器件，这些结构产生的对流气流能够打破耗尽区，增强分析物向多孔表面的输送，从而使灵敏度再提升10倍。[198]将这两种优化方法结合起来，检测限提升了100倍，报告的检测限低至3纳摩尔。[200]FPI通常与其他谐振器一起使用，以提供稳定的参考信号。有一些设计利用维尼埃效应，以FPI作为参考信号来放大传感器的响应。[201]、[202]在这种方法中，两个自由光谱范围略有不同的谐振器（见方程10）被组合起来，产生具有较大包络间隔或波长的拍频图案。当传感谐振器发生微小位移时，拍频波长会随之变化，这能使灵敏度提高多个数量级。[201]、[202]、[203]、[204]例如，Hu等人将FPI参考谐振器与迈克尔逊干涉仪传感器相结合，用于检测固定在探针pDNA上的互补cDNA的结合情况。[205]迈克尔逊干涉仪的传感臂是通过将单模光纤、多模光纤以及单孔双芯微结构光纤的若干部分拼接而成的，如图11所示。图11B中的MOF光纤有两个核心和一个微通道，其中一个核心悬浮在微通道的内壁上。通过飞秒激光加工打开封闭的通道，暴露出悬浮的核心，该核心经过功能化处理后可与pDNA结合以检测cDNA。沿埋藏核心传播的光线作为迈克尔逊干涉仪的参考光。另外，FPI则是通过将一小段空心芯光纤夹在两根单模光纤之间制成的，从而形成一个隔离的空气腔谐振器，如图11C所示。迈克尔逊干涉仪臂与FPI臂之间的自由光谱范围差异产生了拍频包络，当cDNA与迈克尔逊干涉仪传感器上的pDNA结合时，这一包络的波长会发生偏移，可通过光谱分析仪检测到这一变化。[205]采用这种设计，测得的折射率灵敏度为-8791纳米/RIU，这一数值比仅使用迈克尔逊干涉仪时的灵敏度高7倍以上。该传感器能够检测1微摩尔的cDNA溶液，在面对非cDNA对照物时也表现出良好的特异性。[205]还有另一种基于维尼埃几何结构的设计，它利用锥形微光纤干涉仪传感器与空气腔FPI相结合，实现了阿托摩尔级的检测限。[206]如图11D所示，这种设计使用了经过cDNA功能化处理的锥形光纤传感器来检测pDNA的结合情况。锥形或变细的光纤具有较弱的导光能力，且能支持更高阶的模式。这些模式对周围折射率的响应不同，因此具有不同的传播常数，从而产生干涉效应，这也是实现传感的基础。单独使用时，锥形微光纤的灵敏度有限，但在此设计中通过之前讨论过的相同维尼埃放大机制提升了其灵敏度。据报道，其折射率灵敏度为12,534纳米/RIU，是单独使用锥形微光纤时的4倍。在cDNA结合后，可检测到的波长偏移范围为10^-18至10^-6摩尔，报告的超低检测限为0.62阿托摩尔。[206]使用非互补DNA及其他潜在干扰物的对照实验并未产生显著响应，而在10%血清环境中，可检测到10^-10摩尔的cDNA结合。在这些应用中，确保FPI参考信号保持稳定至关重要，只有传感器本身的变化才能被放大。有人认为，空气的低色散特性以及FPI腔体的微小膨胀有助于维持稳定的参考信号，进而实现可靠的传感。[205]对于结合微流控技术的整体折射率测量，Wang等人提出了一种简单而有效的设计，采用如图12所示的透空结构。[207]用于流体流动的方形微毛细管同时也充当了FPI传感器的腔体。该微通道的内宽为100微米，外径为300微米。微毛细管的壁面上交替涂覆高折射率的Ta2O5薄膜和低折射率的SiO2薄膜，从而在相对的壁面上形成分布式布拉格反射器。由此产生的DBR反射镜的反射率为99.7%。来自可调谐激光源的光线穿过毛细管后，被光电二极管检测到，如图12所示。[207]该腔体的高精细度（见方程9）使得传输光谱中的共振峰非常狭窄。基模的Q因子实测值为1.0x10^6，这反映了光在腔体内的有效约束作用。该传感器的折射率灵敏度为201.1纳米/RIU，检测限为7.11x10^-8 RIU。需要强调的是，后者是实际测得的检测限，而非根据校准曲线计算得出的理想值。其他高Q值的谐振器设计有时难以同时实现较高的灵敏度与高Q值，但本文报告的性能指标FOM却高达2.2x10^5 RIU^-1（FOM=SQ/）。[207]该传感器通过检测聚乙二醇对蛋白质聚集的非特异性影响来进行测试，检测过程中使用了山羊抗人免疫球蛋白G抗体。[207]研究者们还在PEG存在的情况下，分析了人表皮生长因子受体2的特异性抗体结合情况。[207]他们同时监测了透射光强度和光谱偏移，以此获取有关样品聚集状态及折射率特性的互补信息。在PEG增强抗体结合的情况下，可检测到七个数量级范围内的特异性结合，最低检测浓度可达100聚集体/毫升。[207]该系统的自由光谱范围仅为0.95纳米，这可能会给传感测量带来不确定性。不出所料，其对入射角度的偏差也极为敏感，即使偏差小于1度，Q因子也会出现大幅下降。不过，FPI传感与微毛细流控技术的自然结合、高Q值、出色的FOM值、稳定性以及较低的检测限，都使得这种方法成为折射率检测及无标记传感领域极具前景且灵活的技术手段。[207]正如前面的例子所示，由于光纤及其他波导结构具有结构紧凑、光传输效率高、可扩展性强且成本低廉等优点，它们常常被集成到微流控装置中作为传感器使用。[208]在20世纪70年代末，人们发现光纤的折射率在暴露于紫外线照射下会发生改变。[209]、[210]这种光敏特性使得可以在光纤中永久性地刻写折射率光栅。当满足布拉格条件时，这些光栅就会起到波长选择镜的作用：在方程11中，λ_B表示布拉格波长，d表示光栅周期，n_eff则表示有效折射率。因此，光纤布拉格光栅能够对沿光纤传播的光进行波长选择性的操控，如图13所示。通过调节光栅的长度、周期以及折射率对比度，可以调整光栅的带宽和反射率，从而为特定应用的设计提供极大的灵活性。[211]、[212]、[213]此外，还有长周期光栅[214]、[215]、[216]、[217]、[218]、[219]、[220]、[221]、[222]、[223]、[224]、[225]、[226]、[227]、[228]、[229]、[230]、[231]、[232]、[233]、[234]、[235]、[236]、[237]、[238]、[239]、[240]、[241]、[242]、[243]、[244]、[245]、[246]、[247]，如图13B所示的倾斜光栅[248]、[249]、[250]、[251]、[252]、[253]、[254]、[255]、[256]、[257]、[258]、[259]、[260]、[261]、[262]、[263]、[264]、[265]、[266]（图13C），以及啁啾光栅[211]、[267]、[268]、[269]、[270]、[271]以及其他结构[242]、[253]、[272]、[273]、[274]、[275]、[276]、[277]、[278]、[279]，都被用来进一步调控和提升特定应用所需的性能。根据方程11，人们很快意识到了光纤布拉格光栅在折射率传感方面的潜力。但由于光被紧密限制在光纤芯层内，且与周围环境被厚厚的包层隔开，传统的光纤布拉格光栅必须经过改造才能用于折射率传感。这就需要减小包层厚度，以便让沿芯层传播的光所产生的衰减场显现出来。不过，这种方法通常需要使用氢氟酸等强腐蚀性化学物质对光纤进行蚀刻，从而导致传感区域的光纤变得极为脆弱且厚度极薄。[280]另一种非常成功的策略是将芯层模式与包层模式进行耦合。[212]、[213]当包层所处的环境折射率低于玻璃（比如水溶液）时，芯层模式就能够与包层模式发生耦合。由于包层模式会延伸到光纤的边缘，因此它们会受到周围环境的影响，从而可用于折射率传感。实现芯层模式与包层模式的耦合可以通过长周期光栅以及倾斜光纤布拉格光栅之类的结构来实现，如图13B和图13C所示。对于长周期光栅而言，顾名思义，这类结构采用长度在100至1000毫米量级的较长光栅周期，从而使向前传播的芯层模式与向前传播的包层模式实现相位匹配。这一周期长度远远长于传统光纤布拉格光栅中用于实现前后传播芯层模式相位匹配的不到1毫米的周期长度。[212]、[213]、[220]长周期光栅的共振条件如下：其中λ_res表示共振波长，d表示光栅周期，n_core表示芯层模式的有效折射率，n_clad则表示包层模式的有效折射率。由于包层模式的衰减场会延伸到光纤外部，因此n_clad的值取决于包层以及周围介质的折射率。这一特性使得长周期光栅具备折射率传感功能，如图13B所示。[232]、[281]当周围介质的折射率接近包层的折射率时，长周期光栅传感器的折射率灵敏度最高，而水溶液则不符合这一条件。[281]、[282]因此，大部分关于长周期光栅的研究都集中在开发提升折射率灵敏度的方法上。这可以通过将传感器设计为在相位匹配曲线中的所谓色散转折点附近与较高阶的模式发生耦合来实现。[220]、[223]、[231]、[243]、[244]、[276]、[283]、[284]、[285]、[286]、[287]、[288]、[289]共振波长与光栅周期的关系图显示，随着包层模式数的增加，相位匹配曲线的斜率会明显上升。更大的斜率意味着更高的灵敏度。此外，与低阶模式不同，高阶模式的相位匹配曲线在斜率发生符号变化的点处会出现灵敏度最高的区域，这一色散转折点就能带来最大的灵敏度。[220]、[284]其他提升检测性能的方法还包括在传感区域周围涂覆高折射率材料，以此改变包层模式并延长衰减场的范围[214]、[216]、[217]、[235]、[237]、[238]、[241]、[242]、[255]、[273]、[290]、[291]、[292]、[293]、[294]、[295]、[296]、[297]，或者缩小包层直径[231]、[251]、[279]、[280]、[298]、[299]、[300]、[301]，亦或是将这些方法结合起来，以优化传感性能[302]、[303]、[304]。例如，Esposito等人通过湿法蚀刻减小包层厚度，随后沉积氧化石墨烯，以此提升双包层光纤中长周期光栅的灵敏度。如图14所示，[241]、[242]这种光栅是通过弧线制成的，其总长度为15-18毫米，周期为400微米。这使得核心模式与1200-1650纳米光谱区域内的第5和第6包层模式相耦合，如图14A和B所示。[241]为了优化传感器性能，通过湿法蚀刻减小了直径，同时实时监测光谱输出，如图14B所示。[241]随着直径的减小，所有模式都会缓慢向更长波长移动，直到接近过渡区域时才会出现快速变化。这些区域是灵敏度最高的区域，因此停止了蚀刻过程。在本研究中，当直径降至约107微米时停止了蚀刻，因为此时第5模式转变为第7模式，从而在1560纳米处形成了一个衰减带，如图14C所示。采用类似方法制备了四个LPG传感器，它们的吸收峰都位于1550纳米附近，而在1.33至1.37的折射率范围内，折射率灵敏度介于-1100纳米/RIU到-1400纳米/RIU之间。[241]为了检测维生素D，这些传感器表面涂覆了几纳米厚的氧化石墨烯，以羧基化表面并结合针对维生素D3的抗体，如图14D所示。在检测测试中，这些功能化的LPG传感器被放置在一个温度可控的流体腔中，如图14E所示。由于LPG传感器常被用作温度和应力传感器，因此减少温度变化或机械应力对于获得最佳的折射率性能至关重要。使用注射泵将溶液泵过LPG传感器，同时用光谱分析仪测量从宽带光源（1200-1650纳米）耦合到LPG传感器中的光谱输出。在测试的四个传感器中，图14F显示了在暴露于1纳克/毫升维生素D3和10纳克/毫升维生素D3时的波长变化情况。这些传感器能够响应从1纳克/毫升到1000纳克/毫升范围内的浓度变化。另外两个传感器也得到了类似的结果，而第四个传感器作为对照，没有经过抗体功能化处理，在所研究的浓度范围内没有显示出任何响应。在白蛋白和IgG存在的情况下，传感器的性能略有下降，这可能是由于非特异性结合或白蛋白对维生素D3的截留作用，不过具体机制尚未得到研究。[241]Wen等人[245]展示了一种用于制造LPG传感用折射率光栅的替代方法。他们将光纤嵌入由SU-8光阻材料制成的梳状微通道结构中。如先前所报道的，光纤上的周期性应变会通过光弹性效应改变其折射率，从而使该结构形成LPG。[305]暴露在外部的光纤区域被功能化为抗体，用于抗原检测，实验结果表明可以实现毫克/毫升级别的特异性检测。LPG的几何结构及其与流体通道的自然整合可能为小体积检测带来一些优势。倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）通过光纤上刻制的倾斜折射率光栅图案将光耦合到包层模式中（见图13C）。这样就会产生包含数十到数百个传输损耗共振峰的包络，这些共振峰的宽度非常窄，仅为0.1纳米。[250]、[254]、[255]、[256]、[265]、[266]、[306]这与LPG光纤中观测到的相对较少且宽度明显更宽（20-50纳米）的共振峰形成对比。[220]此外，由于光栅周期更短，TFBG的整体传感范围也会缩小，这可能具有某些优势。在一个例子中，一种镀银的TFBG传感器被用来检测互补cDNA链与固定在其表面的探针pDNA之间的结合情况。[255]该TFBG传感器使用的光栅总长度为1厘米，倾斜角度为6度，光纤的外表面则通过溅射法镀上了厚度约为50纳米的银层。为了进一步提升检测能力，还使用湿法转移技术在银层上沉积了一层石墨烯。据报道，该传感器能够检测低至0.1纳摩尔的cDNA结合量，其检测下限为3皮摩尔。[255]Yan等人[265]报告了一种更为复杂的设计，用于检测作为癌症生物标志物的微RNA。他们在TFBG上镀上了一层薄金膜，并在其表面装饰了核壳结构（金@沸石咪唑框架-8；Au@ZIF-8），以此在空间上扩展表面处的局部电磁场。固定在镀金光纤表面的pDNA可以捕获目标微RNA。为了进一步放大结合信号，还以三明治检测格式将带有金纳米粒子的单链DNA连接到目标微RNA上。这种设计提高了选择性和灵敏度，同时减少了非特异性结合带来的背景干扰。他们还展示了在血清和唾液中检测两种微RNA的多重检测能力，其检测下限处于低阿摩尔级别。[265]如前所述，通过等离子体效应增强传感器响应的金属涂层FBG传感器被广泛使用。[307]、[308]、[309]、[310]、[311]、[312]、[313]、[314]、[315]这类传感器包含一层薄金属涂层，如果使用黄金，还可以通过硫醇化学方法进行表面功能化处理。在一项研究中，人们将镀金TFBG传感器的性能与市面上的商用SPR仪器（Biacore X100）进行了直接比较，结果总结在图15中。[261]该TFBG的光栅周期为1100纳米，倾斜角度为8度，光栅总长度为1厘米。其表面镀有约40纳米厚的金层，随后又被功能化为用于检测胰岛素的抗体。两个TFBG传感器被分别拉伸并密封在容积均为120微升的微流控腔室中。通过不同浓度的葡萄糖溶液来比较它们对整体折射率变化的响应情况。结果显示，这些TFBG传感器的表现优于商用SPR仪器。SPR仪器的最小可分辨折射率变化值为1×10^-6 RIU，略好于TFBG传感器测得的1.7×10^-6 RIU。在特异性检测胰岛素方面，TFBG传感器的检测下限为0.094纳摩尔，而SPR仪器的检测下限则为0.170纳摩尔。[261]图15D-G展示了这两种检测器的响应情况以及相应的结合曲线。商用SPR仪器在动力学结合数据方面表现出更一致的趋势，且分析时间也更短。这一直接比较为评估FBG传感器的发展水平提供了有益的参考，使其能与已经成熟商用的技术相对照。图15的结果表明，尽管FBG传感器在整体性能上仍落后于SPR仪器，但在需要将传感器固定在柔软细小的光纤上的遥感等应用领域，它们仍能发挥重要作用。背散射干涉术（BSI）利用相干光聚焦到充满溶液的毛细管或微流控通道中所产生的干涉图样，来检测溶液中的折射率变化。[316]、[317]、[318]、[319]、[320]、[321]、[322]当相干光穿过一个小毛细管时，会在毛细管周围形成一道条纹图案。这些干涉图样是由毛细管各材料界面处产生的折射光和反射光共同形成的。当填充在毛细管内部的溶液的折射率发生变化时，条纹图案也会随之移动，这就是BSI实现折射率检测的原理。在BSI中，条纹图案是从与光源同一侧的微毛细管处检测到的，然后可以被成像到相机上，或者像图16A所示，使用双单元光电探测器进行监测。图16B则展示了不同激发波长下，充满溶液的毛细管（内径50微米，外径80微米）的实测与模拟BSI图案对比情况。[323]这反映了当溶液折射率发生变化时所观察到的现象，同时也展示了BSI检测中条纹图案的变化情况。在最初展示出BSI可用于毛细管中的折射率检测之后[316]、[317]，人们很快将其应用于毛细管电泳（CE）[319]、[320]、[324]、[325]以及微芯片CE[321]、[325]中的通用检测任务。这项工作采用了Bruno等人早先开发的侧向照明几何结构。[326]由于需要使用小内径的毛细管来避免焦耳热带来的不良影响，因此在CE中的应用面临诸多挑战。通常在CE中使用的毛细管内径在25-100微米之间，这就导致了非常短的路径长度以及有限的毛细管内光学检测体积。然而，由于BSI具备远距离检测能力，且能够分辨出10^-7 RIU量级的折射率变化，因此特别适合用于毛细管内的小体积检测任务。[327]、[328]最近，这种方法甚至实现了在CE中检测亚微摩尔级别的氨基酸。[329]为了解释和优化毛细管及微芯片结构中的BSI检测效果，有多篇研究报道了光线追踪分析的结果。[323]、[330]、[331]、[332]、[333]、[334]、[335]图17展示了一个光线追踪图，标出了在BSI信号中可能起重要作用（强度足够）的不同类型光线。[335]由于毛细管表面是弯曲的，入射角会随位置而变化，如图17中所示。观测角度则由公式给出，在BSI检测中其值通常接近π。这些研究还得出了几个对BSI检测具有重要意义的有趣结论，这些结论分别展示在图17B和图17C中。这两幅图分别绘制了当观测角度偏离π时，两种不同毛细管结构的BSI强度变化情况，这两种毛细管的结构由毛细管内外半径之比来定义。[335]图17B展示了较大比值情况下的毛细管条纹图案，而图17C则展示了较小比值情况下的图案。在图17C中，可以看到壁较厚（比值较小）的毛细管存在显著的高频成分。在图17A中，光线1和光线4在很大程度上决定了图17B中较大比值毛细管的BSI信号，而壁较厚（比值较小）的毛细管则主要受光线1、4和光线5的影响。因此，图17C中出现的显著高频成分是由于包含了光线5（见图17A），这条光线被限制在毛细管壁内部，不会对折射率敏感度产生影响，反而可能会使分析变得复杂。随着毛细管壁厚度的减小，这条光线会从BSI信号中消失，此时干涉图案就会变为图17B所示的样子。这两幅图都显示出传感器对偏振不敏感，而且由于毛细管表面的弯曲，信号还存在明显的啁啾现象。如前所述，图17C中的高频成分会干扰BSI检测，且不会提升折射率敏感度。对于折射率在632.8纳米处约为1.457的熔融石英毛细管，当半径大于约0.68时，光线5就会消失。因此，可以通过选择合适的毛细管尺寸来超越这一数值，从而优化BSI的性能。[335]然而，在CE应用中，由于受到焦耳热影响的限制，毛细管内径的选择余地较小，这就使得这一做法的实现更具挑战性。例如，常规的CE毛细管（内径50微米，外径363微米）具有很厚的壁，其操作时的比值较低，此时存在高频成分。不过，最近有一些研究使用了壁较薄的毛细管（内径50微米，外径80微米），这样的尺寸使得比值增大，从而降低了高频成分的影响[329]、[336]、[337]、[338]、[339]、[340]、[341]。由于随着临界值的临近，光线5的影响会逐渐减弱[335]，这就能显著提升检测性能。在最初开发出用于小体积样品折射率检测的BSI技术之后[316]、[317]、[318]、[328]、[333]，后续的研究又将BSI技术应用于CE和微芯片CE分离过程[319]、[320]、[321]、[324]、[325]、[341]，以及芯片上的检测[322]、[342]、[343]，还有温度检测[343]和流量检测[342]领域。不过，Bornhop等人于2007年发表的一篇重要论文指出，BSI技术还可以用于监测溶液中的结合反应。[344]如图18A所示，该研究使用了PDMS微流控芯片，并采用了“停流”配置。两条通道在一段蛇形区域汇合，之后进入一个限制区，从而使含有结合配对的溶液迅速混合在一起（见图18B）。随后在50 μm x 70 μm的矩形通道中，利用BSI检测技术对结合现象进行了研究。[344]一束HeNe激光被照射到该通道中，BSI干涉图样被拍摄到CCD相机上，以此来量化干涉条纹的位移情况（见图18C）。为了验证这一方法的准确性，共研究了六种不同的结合相互作用（四种涉及钙调蛋白、蛋白A-IgG以及白细胞介素2的抗体结合），这些相互作用的已知解离常数范围从μM到pM不等。快速混合后记录下的BSI信号的时间变化曲线呈现出与结合曲线相符的特征趋势。此外，所测得的解离常数与其他方法得出的结果相比也相当吻合。[344]BSI能够在无需标记剂或表面固定的情况下定量分析溶液中的结合相互作用，这一优势十分显著。正如原始论文中所指出的，BSI还能够在极小的体积（探针体积约350 pL）内进行结合检测，无论采用动力学测定还是终点测定法，都只需极少量的样品。[344]因此，很快就有了一系列研究证明，BSI传感技术可应用于各种亲和力及分子量不同的结合对，包括蛋白质-蛋白质[345]、[346]、抗体-抗原[345]、[347]、[348]、[349]、[350]、蛋白质-小分子[345]、[351]、[352]、[353]、[354]、膜上的结合反应[355]、[356]、[357]、适配体-小分子[358]、[359]以及适配体-蛋白质[360]体系。不过，BSI信号在结合过程中发生变化的机制目前尚不完全清楚，这一问题上学术界也存在一些争议。[331]、[361]、[362]、[363]、[364]、[365]、[366]有人认为，结合过程中伴随的构象变化和溶剂化作用导致了可检测的BSI信号[344]、[363]、[366]，而另一些人则认为这类效应超出了BSI的检测范围[364]。结合反应通常会伴随温度变化，而折射率测量对温度极为敏感，因此温度变化可能会干扰检测结果。但在原始论文中这一机制已被排除，因为结合发生后BSI信号依然保持稳定。[344]如果温度变化是原因的话，结合后不可避免的热量散发应该会体现在BSI信号上。[344]在实际实验中，关于BSI对结合反应的灵敏度也存在不同观点[331]、[361]、[365]。然而，尽管参与研究的独立团队数量有限，但目前的大量研究似乎都表明BSI确实能够检测到结合反应，并且能得到与文献数据相符的合理参数。最近有一篇论文试图为这些测量结果提供更坚实的理论基础[366]，不过这一领域仍需要更多独立团队通过实验和理论研究来进一步阐释和验证这种极具潜力的无标记检测方法。与所有折射率测量一样，温度波动及其他环境干扰都可能导致背景水平不稳定且持续变化，从而影响检测性能。除了通过适当的热管理及恒温装置稳定温度外，使用参考信号往往也有助于消除不稳定的背景水平。人们开发了一种补偿型BSI方法，该方法通过在同一微流控通道中同时进行信号测量和参考测量来实现。[327]在这种方法中，一束细长的激光沿充满溶液的微通道纵向照射，用于检测被障碍物（如空气、油等）分隔开的相邻区域。来自障碍物一侧样品溶液的BSI信号与另一侧的参考溶液信号会被引导至CCD相机，进而测量这两个空间上分离的干涉图样。与使用独立参考通道的方法相比，这种方法更易于对齐[328]、[367]，而且在没有温度控制的情况下也能表现出更好的性能[327]、[368]。此后，该团队便广泛使用这种方法来进行自由溶液中的结合检测[369]、[370]、[371]、[372]、[373]、[374]、[375]、[376]、[377]。最近，我们的团队又尝试将BSI检测技术与毛细管电泳相结合，以实现通用检测与快速分离的有机统一[323]、[329]、[336]、[337]、[338]、[339]、[340]、[341]、[378]、[379]。其总体结构如图19A所示。激光源通过分光镜聚焦，进入一根总长度为10厘米、内径50 μm、外径80 μm的熔融石英分离毛细管，该毛细管固定在温度稳定的散热片上。来自毛细管的背向散射干涉图样经分光镜反射后，被引导至一个双单元光电二极管探测器，该探测器位于干涉图样的两条条纹上。毛细管仅15 μm厚的壁层能够高效散热，从而减轻焦耳热的影响，稳定温度，提升BSI检测的准确性。这层薄壁还能去除BSI干涉图样中的高频成分（见图17C），这类高频成分会降低检测性能。如图19B所示，这种BSI检测方法能够在不到40秒的时间内，无需标记即可检测出8种氨基酸和3种无机离子。[329]此外，这项研究还通过在分离过程中检测700 nM精氨酸的峰值，证明了该方法具备亚微摩尔级的检测能力[329]。需要指出的是，700 nM精氨酸的峰值是通过实验直接检测得到的（见图19B插图），并非基于计算得出的检测下限值，因为如前所述，检测下限值有时并不能准确反映实际的检测性能。有趣的是，BSI信号还对分离电压敏感[336]，后来人们还将这一特性作为潜在的信号增强机制进行了研究[338]。除了对折射率的敏感性外，BSI信号还与分离电压的平方呈线性关系，这一现象可能源于直流克尔效应或分离溶液中产生的能量损耗[336]。人们建立了模型来解释CE体系中BSI检测所受到的这些影响，结果表明折射率和局部电导率都会影响峰面积[338]。后者会导致峰面积随电压呈线性增加，为在高分离电压条件下增强BSI检测提供了一种有趣的机制[338]。通过对5种未标记氨基酸在不同分离电压下的分离过程进行COMSOL仿真和实验研究，发现，在低分离电压下，BSI信号主要由折射率成分决定，此时测得的峰值和仿真得到的峰值都很弱，且方向为正。随着分离电压的升高，与电压相关的项开始主导BSI信号，峰值的方向发生反转，幅度也会增大。因此，较高的分离电压不仅能够提升BSI信号的强度，降低检测下限，还能缩短分析时间。这种与电压相关的机制还会带来一种有趣的BSI峰值变窄效应，有助于提升CE分离过程的分辨率[379]。光热增强技术也被用来进一步提高BSI的检测下限[339]、[379]、[380]、[381]。在这些研究中，色基团的共振激发会通过非辐射弛豫作用使周围的溶剂局部升温。这种局部升温会通过热光系数改变折射率，从而使BSI信号强度大幅提升数个数量级。例如，最近有一项研究显示，将光热增强技术与BSI检测结合用于CE检测，甚至可以将分析物的检测下限降至60 nM水平[339]。这项研究还证明了在同一个分离过程中同时检测BSI信号、经光热增强的BSI信号以及荧光信号的可能性，为利用多模式检测技术处理高含量样本提供了有效途径[339]。BSI的光路设计与光学存储设备中普遍使用的光学拾取头类似[15]。最近人们便利用这一原理，通过改进光学拾取头设计出了结构更为紧凑的BSI检测器[323]。CD光盘、DVD光盘以及蓝光光盘都是通过干涉测量技术来读取存储在光盘上的信息。用于实现这一功能的光学拾取头堪称现代技术的杰出产物，它将所有用于干涉测量的激光器、光学元件、定位装置以及检测硬件集成在一个衍射极限范围内的小区域内[15]。而且，由于大规模生产带来的成本优势，这类光学拾取头现在只需几美元就能买到。例如，图20A和图20B分别展示了CD光盘和DVD光盘设备中的光学拾取头，而图20C则显示了光学拾取头的光路结构。为了展示光学拾取头在折射率测量中的应用价值，研究人员将改进后的光学拾取头放置在CE毛细管（内径75 μm，外径363 μm）上方，让不同浓度的蔗糖溶液流过该毛细管[323]。如图20D所示，对于浓度在67 μM到19.3 mM之间的蔗糖溶液，BSI信号会出现阶梯状的明显变化，据此就可以绘制出如图20E所示的线性校准曲线。此外，改进后的光学拾取头还被用作CE检测中的通用检测器，用于检测300 μM Na+和Li+分离过程中的特征峰[323]。这项研究充分展现了光学拾取头作为廉价、可靠且微型化的BSI检测器的巨大潜力。不过，这类光学拾取头较难被篡改[15]，而这项概念验证研究也省略了许多内置功能[323]。若能进一步开发出这些功能，将为打造廉价、可靠且微型化的折射率检测器、用于野外部署的微流控设备开辟出良好的发展路径。折射率检测方法种类繁多，为微流控设备中的传感与检测任务提供了极其多样且灵活的解决方案。目前已开发的各类方法形成了丰富的工具库，人们可以根据具体的检测需求选择合适的方法。例如，采用BSI或某些法布里-珀罗结构的空间型检测器非常适合远距离检测，而众多基于波导和光纤的技术则更适用于近距离传感。不过，这也使得不同方法之间的直接比较变得困难，尤其是在那些使用固定于表面的识别元件的传感应用中。在这些应用中，表面覆盖度以及受体取向等因素都会对传感器的性能产生显著影响。相比之下，对整体折射率变化的响应则更容易进行比较，表1至表5汇总了所讨论的各种方法的检测结果。这些表格仅包含那些明确给出了整体折射率变化校准曲线的研究结果。“传感长度”一栏表示传感作用发生的距离。例如，在BSI检测中，这一数值指的是光在毛细管或微流控通道中的传播路径长度；而在MZI和FBG检测中，则分别表示与溶液接触的传感臂或光栅的长度。我们尽可能将各种浓度值转换为摩尔浓度，同时补充估算原始文献中缺失或不完整的数据，从而让这些信息更易于比较。我们补充的计算或估算值会以括号的形式标注在表格中。例如，如果校准曲线中仅给出了折射率数值，我们会利用这些数值以及标准物质的种类（如蔗糖、NaCl等）来估算浓度值。这些数值并未经过温度校正，有时还使用了从校准曲线本身估算得到的折射率值，因此括号中的数值应视为粗略估计值。不过，它们确实有助于对各种检测结果进行标准化处理，便于相互比较。除了所使用的标准物质以及校准范围之外，我们还在可能的情况下列出了校准曲线中第一个被检测到的浓度变化点。同样，括号中的数值也是我们根据数据计算或估算得出的，应视为近似值。在我们看来，校准曲线中测得的最低浓度变化幅度以及整体的校准范围，往往是判断某种方法实际应用效果的最佳指标。表1、表2、表3、表4和表5中还列出了各种方法对应的检测下限值，这些值通常是根据公式3计算得出的，其中为背景信号或空白信号的标准差，而为校准曲线的斜率，即检测灵敏度。根据我们的经验，这类数值的参考价值相对较低，因为它们的计算在很大程度上取决于的测量方式，因此可能存在过于乐观的情况。表6则总结了所讨论的各种方法在更复杂的真实样品矩阵中的检测结果。由于折射率是一种通用信号，它容易受到复杂介质中非特异性吸附作用产生的信号干扰。因此，对于生物流体这类复杂的样品矩阵来说，不仅需要优化检测的特异性，还需要找到有效方法来降低非特异性相互作用的影响，才能获得可靠的检测结果。使用一个传感元件和一个参考元件进行差分检测，是目前最简单且应用最广泛的减少此类干扰的方法。例如，MZI和YI这类技术的一个优点就是天然具备了传感臂和参考臂两种结构。由于识别元件可以仅固定在检测臂上，而两臂的其他部分则设计得相似，因此参考臂有助于补偿非特异性结合。所有折射率检测器面临的另一个挑战是较低的检测限。为此，人们付出了大量努力来开发信号增强方案。现有文献中充斥着各种越来越复杂的传感结构设计，其目的就是将检测限进一步降低。对于基于光纤的传感器而言，这通常涉及对光纤进行减薄或结构化处理，并结合一种或多种等离子体增强技术。尽管信号检测方面的改进相当显著，但在可扩展的设备制造以及在实际应用中实现稳定测量的可行性方面，有时仍不够明确。基础研究可以容忍复杂繁琐的制造流程，但更多应用场景则需要具备可扩展性的稳健方法。那些优先考虑后者并取得成功的努力，将对未来实用微流控平台的发展产生重要影响。有一种值得更多关注的信号增强方法，即利用折射率测量众所周知的温度敏感性来增强信号。光热信号增强技术利用分析物在共振激发后返回基态时产生的局部加热效应，从而增强折射率信号。研究表明，这种方法能使检测限提高数个数量级，还能为测量增加选择性。[339]、[379]、[380]、[381] 然而，温度及其他环境因素的敏感性往往会给折射率测量带来挑战，可能会削弱或掩盖所需信号。要获得最佳性能，就需要精确的环境控制，或采用补偿/参考方案来尽量减少这些因素对目标测量的影响。其中温度是最重要的因素，许多传感器设计会集成独立的温度传感器，如光纤布拉格光栅，用以补偿温度波动和长期漂移。[76]、[391]、[392]、[393] 其他因素，如激光波动或耦合损耗带来的噪声或漂移，可通过比率测量来补偿；而为了消除类似折射率变化引起的偏振变化，可能还需要进行偏振补偿。[306] 干涉测量方法还可以利用相位跟踪或相位锁定技术，降低基于强度测量所固有的幅度噪声，从而检测出微小的折射率变化。[18] 在折射率传感中，通常会采用一种或多种补偿方案。为特定的微流控应用选择合适的检测方法，需要综合考虑诸多因素，比如测量目标、几何限制、所需性能，以及环境因素可能带来的干扰。考虑到这些因素在不同应用中的权重不同，很难说哪种方法是最好的，不过还是可以做一些一般性说明。马赫-曾德尔干涉仪及相关杨氏干涉仪长期以来因其在本领域中的应用潜力而备受重视，未来仍将发挥重要作用。用于检测和参考的波导可以通过标准方法微制造出来，这使得它们与微流控平台的整合在概念上具有很大优势；而且内置参考臂的特性，也有助于在复杂样品矩阵中进行测量时，最大限度地减少非特异性相互作用。不过，表1和表2中的数据表明，目前折射率检测的能力仍然主要局限于高微摩尔到毫摩尔浓度范围。继续探索和开发新的波导设计，比如槽形波导，让更大比例的光场进入溶液，有望进一步提升检测性能。其固有的参考功能、可扩展性，以及构建完全集成型微流控平台的潜力，将继续使这一领域成为重要且活跃的研究方向。背散射干涉术在微流控应用中也具有明显优势，这或许部分反映了我们的偏向，因为这是我们最为专注的研究领域。背散射干涉术是一种非接触式检测技术，可轻松与微毛细管或微通道集成，能够实现低微摩尔级别的检测（见表5）。该技术使用低成本光学元件即可实现，且易于对准，同时还便于微型化（见图20）。同样，我们认为，最近出现的利用方形毛细管壁构建干涉仪的傅里叶光栅干涉术，也是一种极具前景的技术，值得进一步研究（见图12）。[207] 这又是一种非接触式检测方法，具有灵活性，易于扩展，在内径为100微米的方形毛细管中，其检测限可达7.11×10^-8 RIU（约14微摩尔）。[207] 这两种技术都更适用于芯片读取形式，而非完全集成的设备，但由于光学元件的简单性以及微型化的潜力，这类芯片读取装置可以做到体积小、成本低且性能稳定。大量依赖微结构光纤或光聚合结构的FBG和FPI设计，似乎不太适合微流控集成。FBG最初是作为温度和机械应力传感器开发的。实际上，它们经常在其他传感方案中作为独立的温度探针，用于补偿传感器的响应。对于高度柔性的光纤，尤其是那些经过减薄以获取衰减场的光纤，在开发微流控平台时，如何将机械振动和运动与所需信号分离，以及如何补偿温度变化，都是需要认真考虑的设计问题。此外，这类光栅的长度对于微流控应用来说通常较长（根据类型不同为1至100毫米），其制造需要大量的激光器和光学元件投入，对折射率的敏感度也有限（见表4），而且要针对特定传感应用对其进行修改和功能化处理也相当繁琐。同样，一些FPI传感器在最终实现微流控集成和规模化应用方面，也可能面临重大挑战。虽然已经有一些巧妙的微结构光纤设计和光聚合FPI传感器出现，但它们的规模化制造技术以及与微流控系统的集成程度还不够成熟，未来的发展道路可能充满困难。