客户成果丨新加坡南洋理工大学《PNAS》水滴激光- 超灵敏多维度生物传感器

新加坡南洋理工大学Chen Yu-Cheng（陈又诚）教授课题组联合澳大利亚悉尼科技大学房国成研究员，在光微流控领域取得最新进展，该成果以“Laser-emitting aqueous bioreactors for ultrasensitive bioactivity analysis”为题发表在《PNAS》杂志上。

微流控液滴技术被誉为“试管革命”，能把细胞、酶、药物分子封装在皮升级水滴里独立反应，并借助荧光信号进行高通量检测。然而，荧光方法依赖探针与靶标的 “弱” 相互作用，背景噪音高、灵敏度有限。为了再放大信号，科学家把目光投向激光：当光在微球或微管里绕圈形成WGM共振，会形成受激辐射产生激光，微弱的生化变化与激光相互作用，可引起激光波长、阈值、强度等“光学指纹”的明显变化。

水滴是天然的光学微腔，早在上世纪70年代，就有科学家将水滴暴露在空气中，开发成水滴激光器。但是，水滴因折射率低，一直只能在空气中做“短命”激光 — 蒸发不到100秒就干涸，激光信号也极其不稳定。有人尝试把水滴浸到油里，但又必须在水滴中掺入70%甘油来提升水滴折射率，结果高黏度限制了生物活性。

本文提出“激光发射水相微反应器”（LEAB）：把含荧光染料的水滴包进氟碳油（折射率≤1.29）里，既防蒸发，把水滴寿命延长1000倍以上，还能保持激光稳定输出。LEABs实现生物反应与最强共振光场在空间上高度重合，灵敏度比传统WGM传感器高100倍；再和微流控滴液技术结合，一次能做上千个并行实验。作者用它做单细胞酶动力学、肿瘤单细胞\细胞球代谢、甚至单酵母β-葡萄糖苷酶分泌的高通量筛选—只凭激光阈值就能“开/关”式分选。该平台把微型激光技术真正下沉到生化实验室，为超灵敏、高通量、低成本的生物活性分析打开新大门。

图1：LEAB概念示意。（A）水相液滴（含染料）被氟碳油包裹，形成WGM激光微腔；氟碳油折射率小于水折射率。谐振光场大部分被束缚在水滴中，与里面的生化反应发生作用，引起激光光谱的变化。（B）通过微流控可大规模生产含类器官/细胞/酶/分子的激光水滴，实现高通量、长时程监测。 图源：PNAS

图2：单乳液LEAB光学表征。（A）微流控制备的均匀水滴荧光图。（B）水滴激光图像：每个水滴在相同泵浦下均一发光。（C）泵浦强度递增时的激光光谱。（D）光谱积分强度-泵浦能量曲线，表现出激光明显的阈值特性。（E）随水相折射率增加，可支持激光产生的液滴最小直径从65 μm降至18 μm。图源：PNAS

图3：双乳液LEAB激光行为。（A） W/O/W双乳液：单/双/三核水滴均可激光，激光出现在非接触位置。（B） O/W/O双乳液：水壳层同样支持激光产生。（C）三类构型阈值比较：单乳液最低，W/O/W最高。（D）水相折射率越高，维持激光所需壳层厚度越薄。（E）32μm直径O/W/O水滴激光谱。图源：PNAS

图4：超高灵敏无标记酶活检测。（A）三种WGM传感器光场分布比较：聚苯乙烯微球、玻璃毛细管、LEAB。LEAB可实现大部分光场与反应区完全重叠，因此保证了高灵敏特性。（B）理论波长漂移-折射率关系：LEAB灵敏度达373 nm/RIU，比传统方案提升>100倍。（C）高通量微孔阵列：每个孔一个激光水滴，实时监测胰蛋白酶水解BSA。（D）1小时内激光波长红移6 nm，反应动力学清晰可见。（E）微孔阵列反应可视化。F 统计曲线：70分钟漂移饱和，平均6.4 nm，对照无漂移。图源：PNAS

在该研究中，通过使用TuoTuo Technology的紫外无掩模光刻机，制作了液滴生成微流控芯片和包含微孔阵列的检测芯片。该光刻设备能够快速实现大面积、无掩模的微结构制备，同时保证较高的空间分辨率。

作者信息：新加坡南洋理工大学电子电气工程学院的Chen Yu-Cheng教授为本文的通讯作者，澳大利亚悉尼科技大学房国成研究员和南洋理工大学博士生Po-Hao Tseng为第一作者。该工作还得到了圣路易斯华盛顿大学Lan Yang教授和Jie Liao 研究员、悉尼科技大学金大勇院士、以及加州大学旧金山分校Hangrui Liu研究员的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2425829122