基于反射率探測的光流體傳感器

翟玉翠

摘要：本文所述的是一種基于反射率探測的光流體傳感器。測量一個樣品的反射率是應用光流體傳感器生物/化學分析的重要方法之一。相對于熒光標記，這項技術主要區別是免標記。由于被分析物的均質的存在，光流體反射率傳感器測量反射率隨著大量溶液改變，因為背景溶液會有不同的反射率（或者過度極化）。反射率探測對于具有極小探測體積的光流體傳感器非常具有吸引力，因為反射率信號可以度量被分析物的大量集中或者表面密度，而不是用分子的總數。

關鍵詞：光流體技術；反射率；傳感器

在許多光流體反射率探測器中，電場可以被局域在一個非常小的體積（費米或納米量級），因而可以極度降低被探測的分子的數量。各種各樣的光流體結構包括金屬的基于納米孔陣列的等離子體（圖1a），光子晶體和光子晶體纖維（圖1b，c），以及干涉結構如環形諧振腔（圖1d，e），森德馬赫干涉儀和法布里珀羅干涉儀（圖1f），當滿足一些在生物/化學分析中的其他需求時，都被用來當作探索最大化光與被分析物之間相互作用的方法。

光流體反射率傳感器基于主要由周期的金屬或介質結構組成的等離子體，光子晶體或者光子晶體纖維可以被用來局限和引導光（圖1a-c）。這些結構中的空隙是固有的極好的微流體通道，用來填充用于生物/化學傳感的流體樣本。一個表面探測靈敏度為1納米量級（也就是說，分子附著物上的每納米對應1nm的光譜移動，傳感器表面每增加1nm的高度對應生物分子上附著物每平方毫米接近1納克）已經被證明。在這種方案中極小的有效傳感區域允許亞毫微微克生物分子可以被探測。不幸的，在實際操作中，這種空前的探測能力常常受困于未成熟的樣品傳輸系統，這種系統常常無法有選擇性地傳遞光與物質相互作用最強處的分析結果。

研究者們最近報道了光流體技術，該技術用一個簡單且可重復樣品傳輸的微流體通道集成的光子設備。光流體環形諧振腔就是這種光流體前沿的一個例子。光流體環形諧振腔已經被發現用薄壁圓柱形毛細管，芯片上的自組裝管，玻璃微泡和反共振反射光學波導。光流體環形諧振腔保留了出色的環形諧振腔的傳感能力同時也結合了微流體結構。研究者們利用光流體環形諧振腔去探測各種各樣的化學和生物樣品，范圍從如維生素的小分子到如過濾性霉菌粒子的大物種。這種方案可實現的探測靈敏度對于體反射率探測在每單位反射率570nm左右，探測極限分別為10-7RIU和 1 pg mm–2。一個光流體法布里珀羅腔傳感器類似于一個光流體環形諧振腔，流體通道是傳感腔的一部分。法布里珀羅傳感器探測整個樣品體積能夠整體探測，這對于細胞探測十分有用（圖1f）。用這種方法，紹等人從正常細胞中區分出了淋巴瘤細胞。

甚至當與微流體樣品傳感系統結合時，光子傳感器面臨的另一個問題是傳送大量目標分子到傳感器表面。最近，研究者們用一個光流體“流通”策略通過大量光學傳感器實驗來緩解團質量傳送問題，以取代”流過“技術。這項光流體技術集合了納米流體通道穿過光學傳感結構以至于整個樣品直接與傳感表面相互作用。對于傳感表面的大量傳輸是幾乎全部傳送的（而不是分散的），這相比于傳統的流過傳感器在更少的時間內提供了一個更強的信號。由納米孔陣列組成的照相平板制成的等離子體納米流體傳感器和光子晶體納米流體傳感器（圖1g）。晶片基底是背部刻蝕所以液體可以透過薄的帶孔的金屬或介質薄膜。研究者們已經實現了體反射率靈敏度600 RIU nm–1和表面附著靈敏度2 nm nm–1，對于體積溶液和小分子相對于已建立的流過方法分別有14倍和6倍的大量傳輸率增強（圖1g）。郭等發展出一種交替的流通設計，如圖1h所示。在一個毛細管中成千上萬的亞微米尺寸的孔形成納米流體通道和部分法布里珀羅腔。這種光納米流體傳感器類似于一個納米多孔的傳感器，除了它利用拉伸的方法制成流通孔。因此，它展現出一個高表面聚集靈敏度（10–20 nm nm–1）由于大的表面體積比，相比于傳統的納米多孔傳感器實現更有效的樣品傳輸。

研究者們已經通過把光流體反射率傳感器與傳統化學科技例如色譜分析法和電泳結合增強樣品分析能力。這種融合常常允許結果裝置作為一個分離的圓柱和柱上檢測器運行，這允許分離的被分析物能夠被實時監測和將微流體的連接降到最小。王和朱研發了柱上光流體反射率傳感器利用背面散射干涉儀和薄壁毛細管光流體環形諧振腔——都是當被分析物通過監測區域時測量在任何沿著圓柱的已被預先決定的位置的體反射率。