精彩论文 | 用于超高灵敏稳定蛋白质检测的液晶增强光流体生物传感器

论文导读

      蛋白质分析在医学研究和疾病诊断中具有重要意义。液晶作为一类敏感材料，在生物传感领域具有广阔的应用前景。近期，天津大学刘铁根、江俊峰教授团队在 PhotoniX 发表论文“Liquid crystal-amplified optofluidic biosensor for ultra-highly sensitive and stable protein assay”。文中，作者开发了一种基于液晶放大光流体谐振器的生物传感器，并以光谱波长漂移作为传感参数。微泡结构为液晶提供了稳定的高Q因数回音壁模式谐振腔。蛋白质分子触发了与光-物质的相互作用和液晶的取向转变，这两种效应同时放大了目标信息，促进灵敏的波长偏移。微泡壁厚对提高传感器的灵敏度也起关键作用。实验证明，传感平台对牛血清白蛋白的检测限达到1 fM。与传统偏光显微镜检测相比，灵敏度提高了7个数量级。此外，该工作还研究了多种蛋白质和特异性生物传感，证明了液晶增强光流体谐振器在生物检测中的潜力。

研究背景

      蛋白质作为生物体的重要组成部分，在控制生物活动和代谢中起着重要作用。对于医学研究和疾病诊断方面，蛋白质的高灵敏检测、选择性鉴定和定量是不可或缺的。液晶作为快速响应、高灵敏度和低成本材料的一个新兴分支，已被广泛应用于生物传感领域。液晶作信号放大器，用于报告液晶界面上的细微分子事件和外部刺激。在过去十年中，基于液晶生物传感器的生物目标和传感平台变得多样化。依赖于液晶分子的取向转变，一些研究采用偏振图像观测、图像处理技术、液晶分子的介电性质和UV-vis/反射光谱来分析生物目标。这些方法的敏感性仍需显著提高。最近的进展利用回音廊模式激光的高信号强度和窄激光线宽的优势，以液晶微滴作为传感探针，实现具有高灵敏度的生物分子检测。然而，这种结构易受到外部环境的严重影响。此外，自由空间激励降低了回音廊腔的Q因子。

技术突破

      利用无源回音廊模式腔的高Q因子、强倏逝场和小模体积的优点，本文提出了一种液晶放大光流体谐振器高灵敏检测蛋白质分子的方案。微泡形状的光学谐振腔在注入液晶后可提供具有环境高稳定性和可靠性的回音廊模式环形谐振器。连续可调谐激光器作为泵浦源，光通过拉锥光纤耦合至微谐振腔，这种无源激励方式显示出了高Q因子以及高耦合效率（高达99%）。倏逝场经由微泡外壁后进入液晶区。在靠近毛细管内表面，薄壁光流体谐振器可以产生更强的光-物质相互作用和更灵活的配置。随着蛋白质分子（涂覆在微腔内表面）的增加，对液晶的表面垂直锚定力被削弱，液晶分子表现出取向转变，这将进一步加强光谱响应。由于生物分子极化、液晶分子的取向转变和回音廊模式的三重放大效应，液晶分子的微小变化可以被放大和捕获，导致光谱中灵敏的波长偏移。结果表明，随着生物分子的浓度增加，信号响应增强，检测限可以达到1.92 fM（1.28×10^?13 g/ml）。与传统的偏振显微观测方法相比，液晶放大光流体生物传感器的灵敏度显著提高了七个数量级。此外，微泡结构的壁厚对灵敏度的提升也起决定性作用，薄壁的光流体结构使得光能量更密集地分布在液晶区域以灵敏地反馈生物分子信息。实验对多种蛋白以及特异性检测也进行了测试，以验证该传感器在蛋白质检测中的能力。液晶增强的光流体生物传感平台为光学传感提供了更多的参数调整方法和多功能的解决方案，用于无标记和实时蛋白质检测，其检测限远低于传统方法。

观点评述

      本研究工作开发了一种基于回音廊模式光谱的高灵敏度液晶增强光流腔生物传感器，用于蛋白质的定量检测。采用光流体腔为液晶提供稳定可靠的高Q因子环形腔，并支持回音廊模式。倏逝场经由微泡外壁后进入液晶区，更好地分布在谐振腔的核心：（1）蛋白引发了液晶分子的取向转变。（2）生物分子与激光束的相互作用。在这两个因素的共同作用下，光谱可以放大这种细微的变化，并通过波长漂移来表征目标分子的浓度，总体光谱位移随蛋白质浓度线性增加，达到飞摩水平（1.92 fM）的检测限。

      随着微腔制造工艺和Q因子的改进，这一传感平台可以提供更好的检测限。此外，由于液晶在生物传感领域的广泛应用，除了蛋白质检测外，通过改变液晶微流体腔的表面修饰，对其他的目标进行监测，为高灵敏度的无标记生物分子检测提供了有前景的解决方案。

主要作者

      刘铁根，1982年本科毕业于天津大学精仪系光学仪器专业，1987年获工学硕士学位，1999年获工学博士学位。现为天津大学光学工程国家重点学科教授、博士生导师、学术带头人，973计划项目首席科学家，国家重大科学仪器开发专项负责人。2016年获国家技术发明二等奖，主要从事光纤传感技术、光电检测技术、嵌入式图像检测技术等领域研究工作。

      江俊峰，1998年获工学学士学位，2001年获工学硕士学位，2004年天津大学光学工程专业获工学博士学位，2007-2008年美国堪萨斯大学电子工程与计算科学系博士后，2016-2017年美国克莱姆森大学电子工程与计算科学系访问学者。现为天津大学光学工程学科教授、博士生导师。2016年获国家技术发明二等奖，从事光纤传感，光电检测，光纤偏振技术等领域的研究工作。

      王子一慧，2019年获天津大学学士学位，现于天津大学光学工程专业攻读博士学位。目前研究方向为液晶光学谐振腔与光学传感。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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